DE4431675B4

DE4431675B4 - Schraubvorrichtung zum ultraschallgesteuerten Anziehen von Schraubverbindungen

Info

Publication number: DE4431675B4
Application number: DE19944431675
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Habele (Fh)
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-09-06
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2014-09-07
Also published as: DE4431675A1; SE9503053L; SE510355C2; GB2293011A; GB2293011B; GB9517239D0; SE9503053D0

Abstract

Schraubworrichtung zum ultraschallgesteuerten Anziehen einer Schraubverbindung, welche Schraubvorrichtung (10) ein Schraubwerkzeug (13) zur Ausübung eines Schraubmomentes auf die Schraubverbindung aufweist und mit Mitteln (17, 20) zur elektrischen Ansteuerung eines mit der Schraubverbindung schwingungsmäßig gekoppelten Schwingkörpers (19) und einer Signalrückmeldung versehen ist, welche Mittel (20) ein elektrisch leitendes Übertragungselement (21) zur Übertragung von elektrischen Signalen auf den Schwingkörper (19) sowie der Rückmeldung von Echosignalen und einen Masseanschluss umfassen, der von einem Masseleiter (25) gebildet wird, welcher gegenüber dem Übertragungselement (21) elektrisch isoliert ist, dadürch gekennzeichnet, dass der Messeanschluss zumindest auch bei von der Schraubverbindung abgezogener Schraubvorrichtung (10) gegenüber dem Schraubwerkzeug (13) elektrisch isoliert ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schraubvorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1. Es ist schon eine derartige Schraubvorrichtung bekannt ( DE 42 31 429 C1 ), die mit. Mitteln zur elektrischen Ansteuerung eines an einer Schraubverbindung angeordneten Schwingkörpers und zur Rückmeldung von Meßsignalen versehen ist. Die spannungazuführung zum Schwingkörper erfolgt über einen in einem Schraubwerkzeug aufgenommenen, federnden Kontaktstift, wobei der Stromkreis über ein Schraubwerkzeug selbst, eine Drehantriebswelle sowie über Gehäuseteile der Schraubvorrichtung geschlossen wird. Durch eine fehlerhafte Kontaktierung in dieser Masseleitung, beispielsweise im Bereich der elektrischen Kontaktflächen zwischen Schraubwerkzeug und Schraubverbindung, sowie durch externe Störeinflüsse auf die Masseleitung, beispielsweise hervorgerufen durch elektromagnetische Schwingungen, kann die Ultraschallmessung des Anzugmomentes und damit die Schraubgenauigkeit der Schraubvorrichtung ungünstig beeinträchtigt werden. Die Schrift EP 0 422 346 A2 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines eleklrischen Kontaktes zur Versorgung eines Schwingkörpers, der beispielsweise am Kopf einer Schraube montiert ist. Die Ansteuerung des Schwingkörpers erfolgt hierbei über einen gegenüber der Messeleitung isolierten federgelagerten Kontaktpin, wobei die Messeleitung selbst in elektrischem Kontakt mit der Antriebswelle steht, also nicht isoliert erfolgt. Dies kann zu Beeinträchtigungen der vom Schwingkörper abgegriffenen elektrishen Signale führen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung auf die mittels eines durch Ultraschallwellen angeregten Schwingkörpers durchgeführter Messungen einwirkende Störeinflüsse möglichst kastengünstig zu reduzieren, um ein weitgehend unverkfälschtes Messergebnis sicherzustellen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schraubvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß störende Einflüsse auf das Meßergebnis reduzierbar sind und somit eine höhere Schraubgenauigkeit erzielbar ist. Darüber hinaus ist ein sicherer Massekontakt beim Ansetzen des Schraubwerkzeuges auch dann gewährleistet, wenn sich die Kanten von Schraubwerkzeug und Schraubenkopf nicht exakt decken und daher der Schraubenkopf nicht richtig auf den Schraubenkopf aufsetzbar ist. Auch in diesem Fall ist über den Masseleiter ein sicherer Massekontakt gegeben, so daß das Verschraubungsmoment durch einfaches Anfahren der Schraubverbindung ermittelbar ist, ohne zuvor den Schraubantrieb zwecks Ausrichten der Kanten aktivieren zu müssen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schraubvorrichtung möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch den schraubwerkzeugseitigen Teil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schraubvorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Zeichnung ist mit 10 ein vorderer, schraubwerkzeugseitiger Teil einer Schraubvorrichtung bezeichnet. Die Schraubvorrichtung 10 ist mit einer Drehantriebswelle 11 versehen, welche mittels eines nicht näher dargestellten Antriebsmotors drehend antreibbar ist. Am in 1 dargestellten Ende der Drehantriebswelle 11 ist eine Schraubwerkzeugaufnahme 12 für ein Schraubwerkzeug 13 vorgesehen, das zum Anziehen einer Schraubverbindung dient. Von der Schraubverbindung ist lediglich eine Schraube 14 beispielhaft dargestellt. Die Schraubvorrichtung 10 kann jedoch ebenso an eine Mutter der Schraubverbindung angesetzt werden. Das Schraubwerkzeug 13 ist beispielsweise mit einer als Innensechskant ausgebildeten Aufnahmeöffnung 15 für einen sechskantigen Schraubenkopf 16 der Schraube 14 ausgebildet.
Am Schraubenkopf 16 befindet sich stirnseitig ein Schwingkörper 19, der mit der Schraube 14 schwingungsmäßig gekoppelt ist. Bei dem Schwingkörper 19 handelt es sich beispielsweise um einen Piezokristall, der bei entsprechender elektrischer Anregung hochfrequente akkustische Schwingungen erzeugt und in die Schraubverbindung leitet. Umgekehrt empfängt der Piezokristall Echoschwingungen aus der Schraubverbindung und wandelt diese in zugehörige Echosignale um. Durch Vergleichen von Erregersignalen und Echosignalen in einer schematisch dargestellten Auswerteeinrichtung 17 kann in bekannter Weise auf den Spannungszustand in der Schraubverbindung und damit auf das aktuelle Verschraubungsmoment geschlossen werden.
Die Schraubvorrichtung 10 ist mit an der Auswerteeinrichtung 17 angeschlossenen Mitteln 20 zur Ansteuerung des Schwingkörpers 19 und Rückmeldung der Echosignale ausgestattet. Die Mittel 20 umfassen ein Übertragungselement 21, das sich überwiegend innerhalb der Drehantriebswelle 11 in einer Axialbohrung 18 axial erstreckt. Das Übertragungselement 21 ist an seinem schraubwerkzeugseitigen Ende zweiteilig mit einem axial teleskopartig verschiebbaren, mit einer Feder in Richtung auf die Schraube 14 belasteten Kontaktstift 22 ausgebildet. Das Übertragungselement 21 ist entsprechend hohlzylindrisch geformt, so daß der Kontaktstift 22 axial einfedern kann. An der freien Spitze des Übertragungselementes 21 bzw. dessen Kontaktstiftes 22 ist eine Kontaktfläche 24 vorgesehen, die zur Ansteuerung des stirnseitig am Schraubenkopf 16 angebrachten Schwingkörpers 19 dient und deshalb bei auf die Schraube 14 aufgesetztem Schraubwerkzeug 13 an diesem zur Anlage kommt.
Der Stromkreis zum Schwingkörper 19 wird über einen Masseleiter 25 geschlossen. Der Masseanschluß durch den Masseleiter 25 erfolgt über den Schraubenkopf 16, an dessen Oberfläche sich der Schwingkörper 19 befindet. Der Masseleiter 25 ist etwa hülsenförmig ausgebildet und umgibt konzentrisch das Übertragungselement 21 im vorderen Teil der Schraubvorrichtung 10. Dabei sind das Übertragungselement 21 und der Masseleiter 25 durch einen Isolator 26 bzw. im Bereich des Kontaktstiftes 22 durch räumlichen Abstand voneinander elektrisch isoliert.
Der Masseleiter 25 kann sich wie der Kontaktstift 22 axial federnd verschieben. Hierzu wird er von einem Federelement 27 axial nach vorn beaufschlagt. Beim Ansetzen des Schraubwerkzeugs 13 an die Schraube 14 kontaktiert die freie Stirnseite 28 des Masseleiters 25 den elektrisch leitenden Schraubenkopf 16 mit radialem Abstand zum Schwingkörper 19.
Die Drehantriebswelle 11 und das Schraubwerkzeug 13 sind über ein Mehrkantprofil 30 im Bereich der Schraubwerkzeugaufnahme 12 drehschlüssig verbunden. Die Schraubwerkzeugaufnahme 12 ist als Außenmehrkant 31 ausgebildet und am Schraubwerkzeug 13 ist ein korrespondierender Innenmehrkant 32 vorgesehen. Im Beispielsfall wir das Mehrkantprofil 30 durch ein Vierkantprofil gebildet. Etwa mittig in der Schraubwerkzeugaufnahme 12 befindet sich eine Ringnut 33. In die Ringnut 33 greifen zwei Verbindungskörper 34 radial ein. Die Verbindungskörper 34 sind jeweils in einander gegenüberliegenden Bohrungen 35 angeordnet, die die Wandung des Schraubwerkzeugs 13 im Bereich des Mehrkantprofils 30 radial durchquert. Die Verbindungskörper 34 sind stiftförmig ausgebildet und an ihrer in die Ringnut 33 eingreifenden Seite 36 abgerundet. Bei Eingriff der Verbindungskörper 34 in die Ringnut 33 wird das Schraubwerkzeug 13 axial auf der Schraubwerkzeugaufnahme 12 formschlüssig festgelegt. Radial außen werden die Verbindungskörper 34 von einem Sicherungselement 37 überdeckt und in ihrer Verbindungsstellung gehalten. Das Sicherungselement 37 ist dabei ringförmig, z.B. als O-Ring ausgebildet. Die stiftförmigen Verbindungskörper 34 haben innerhalb der Bohrungen 35 Spiel, so daß sie nach Entfernen des Sicherungselements 37 radial nach außen verschoben werden können, wobei sie außer Eingriff mit der Ringnut 33 gelangen, so daß das Schraubwerkzeug 13 von der Drehantriebswelle 11 abnehmbar ist. Am Außenumfang des Schraubwerkzeugs 13 ist im Bereich der Bohrungen 35 eine umlaufende Nut 38 vorgesehen, in der das Sicherungselement 37 angeordnet ist. Zwischen Bohrung 35 und Sicherungselement 37 ist ein Spiel vorgesehen, so daß das Schraubwerkzeug 13 axial an der Stirnseite der Drehantriebswelle 11 anschlagen kann.
Durch die federnde Verschiebbarkeit von Kontaktstift 22 und Masseleiter 25 ist eine störungsunempfindliche Ansteuerung des Schwingkörpers 19 und Rückmeldung der Echosignale während des Einschraubens möglich. Um die Schraubvorrichtung 10 nicht ständig nachfahren zu müssen wird die Schraubvorrichtung 10 derart an der Schraubverbindung angesetetzt, daß sich der Schraubenkopf 16 relativ tief in der Aufnahmeöffnung 15 des Schraubwerkzeugs 13 befindet, maximal bis zu einem Anschlag 39, der vom Isolator 26 axial vor der Schraubaufnahme 12 gebildet wird. Aus Schutzgründen ragen der Kontaktstift 22 des Übertragungselementes 21 sowie der Masseleiter 25 bei vom Schraubenkopf 16 abgenommenem Schraubwerkzeug 13 nicht über das Schraubwerkzeug 13 axial hinaus. Um auch bei nicht vollständig auf den Schraubenkopf 16 aufgesetztem Schraubwerkzeug 13 den Schwingkörper 19 ansteuern zu können, ist auf der der Schraube 14 zugewandten Stirnseite eine axiale, kreisförmige Ausnehmung 40, die beispielsweise durch einen umlaufenden Einstich gebildet ist, angebracht, welche einen größeren Durchmesser hat als das Eckenmaß des Schraubenkopfes 16. Die Schraube 16 kann daher auch bei sich nicht deckenden Kanten von Aufnahmeöffnung 15 und Schraubenkopf 16 soweit in das Schraubwerkzeug 13 eintauchen, daß eine einwandfreie elektrische Kontaktierung gewährleistet ist. In diesem Falle müssen dann zum vollständigen Aufsetzen des Schraubwerkzeuges 13 die Kanten durch Verdrehen mittels des Schraubantriebes in Deckung gebracht werden. Bei vollständig aufgesetztem Schraubwerkzeug 13 bewegt sich dann der Schraubenkopf 16 während des Schraubens innerhalb der Aufnahmeöffnung nach axial vorn, wobei der nachrückende Kontaktstift 22 und Masseleiter 25 für eine ununterbrochene Ansteuerung des Schwingkörpers 19 sorgen.

Claims

Schraubworrichtung zum ultraschallgesteuerten Anziehen einer Schraubverbindung, welche Schraubvorrichtung (10) ein Schraubwerkzeug (13) zur Ausübung eines Schraubmomentes auf die Schraubverbindung aufweist und mit Mitteln (17, 20) zur elektrischen Ansteuerung eines mit der Schraubverbindung schwingungsmäßig gekoppelten Schwingkörpers (19) und einer Signalrückmeldung versehen ist, welche Mittel (20) ein elektrisch leitendes Übertragungselement (21) zur Übertragung von elektrischen Signalen auf den Schwingkörper (19) sowie der Rückmeldung von Echosignalen und einen Masseanschluss umfassen, der von einem Masseleiter (25) gebildet wird, welcher gegenüber dem Übertragungselement (21) elektrisch isoliert ist, dadürch gekennzeichnet, dass der Messeanschluss zumindest auch bei von der Schraubverbindung abgezogener Schraubvorrichtung (10) gegenüber dem Schraubwerkzeug (13) elektrisch isoliert ist.
Schraubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (13) eine axiale Durchgangsöffnung (15, 32) hat, in der der Masseleiter (25) angeordnet ist.
Schraubvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseleiter (25) hülsenförmig ausgebildet ist und das Übertragungselement (21) derart konzentrisch umgibt, daß es die Schraubverbindung bei darauf aufgesetztem Schraubwerkzeug (13) mit radialem Abstand zum Schwingkörper (19) elektrisch kontaktiert.
Schraubvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseleiter (25) die Schraubvorrichtung (10) im Bereich der Stirnfläche eines Schraubenkopfes (16) einer Schraube (14) kontaktiert.
Schraubvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseleiter (25) von einem Federelement (27) in Richtung auf die Schraubverbindung beaufschlagt wird und entgegen der Vorspannung des Federelements (27) axial verschiebbar ist.
Schraubvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenförmige Masseleiter (25) mit dem darin isoliert aufgenommenen Übertragungselement (21) in einer Axialbohrung (18) einer Drehantriebswelle (11) geführt ist.
Schraubvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Abschnitt (22) des Übertragungselementes (21) und des Masseleiters (25) in einer als Aufnahmeöffnung (15) für einen Schraubenkopf (16) ausgebildeten vorderen Bereich der Durchgangsöffnung (15, 32) angeordnet ist.
Schraubvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (13) an seiner vorderen Stirnseite mit einer axialen, umlaufenden Ausnehmung (40) versehen ist, die einen größeren Durchmesser als das Eckenmaß des zugehörigen Schraubenkopfes (16) hat.