DE69011790T2

DE69011790T2 - Method and device for tightening threaded connections.

Info

Publication number: DE69011790T2
Application number: DE1990611790
Authority: DE
Inventors: Gunnar Christer Hansson
Original assignee: Atlas Copco Tools AB
Current assignee: Atlas Copco Industrial Technique AB
Priority date: 1989-09-22
Filing date: 1990-09-24
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2010-09-25
Also published as: EP0419436A2; DE69011790D1; SE8903135L; EP0419436A3; EP0419436B1; JPH03184774A; SE8903135D0; SE464622B

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen auf ein vorbestimmtes Vorspannungsniveau, vgl. z. B. EP-A-0 090 188.The invention relates to a method and a device for tightening screw connections to a predetermined preload level, see e.g. EP-A-0 090 188.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren und einer handgestützten Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen in einer bezüglich der Ergonomie verbesserten Weise.In particular, the invention relates to a method and a hand-assisted device for tightening screw connections in a manner that is improved in terms of ergonomics.

Ein Problem bei von Hand gehaltenen Schlagschraubern besteht in der Schwierigkeit für den Bediener, seine Muskelkraft an die sich schnell ändernden Reaktionskräfte anzupassen, die sich in dem Werkzeuggehäuse und den -griffen entwickeln. Insbesondere besteht für den Bediener das Problem, den ermündenden Stößen ausgesetzt zu sein, die am Ende des Anziehvorgangs auftreten, wenn das angelegte Drehmoment und entsprechend das Reaktions-Drehmoment schlagartig unterbrochen wird. Die Fähigkeit des Bedieners zu reagieren ist durchaus nicht so schnell wie der Abfall des Drehmoments in den Werkzeuggriffen, was bedeutet, daß der Bediener selbst unbeabsichtigt einen Stoß auf das Werkzeug bewirkt.A problem with hand-held impact wrenches is the difficulty for the operator to adapt his muscle power to the rapidly changing reaction forces developed in the tool body and handles. In particular, the operator is exposed to the exhausting shocks that occur at the end of the tightening cycle when the applied torque and, accordingly, the reaction torque are abruptly interrupted. The operator's ability to react is not nearly as fast as the drop in torque in the tool handles, meaning that the operator himself inadvertently causes a shock to the tool.

Zunächst sieht die Erfindung ein Verfahren zum Anziehen von Schraubverbindungen mittels eines drehmomentabgebenden Werkzeugs vor, welches eine Energieversorgung besitzt, mit einer Drehmomentbeaufschlagung einer anzuziehenden Verbindung, bis in der Verbindung ein vorbestimmtes Vorspannungsniveau erreicht wird, wonach die Drehmomentabgabe beendet wird, wobei nach Erreichen des vorbestimmten Vorspannungsniveaus in der Verbindung die Drehmomentbeaufschlagung der Verbindung durch das Werkzeugt durch allmähliches Verringern der Energiezufuhr zum Werkzeug allmählich beendet wird.Firstly, the invention provides a method for tightening screw connections by means of a torque-delivering tool which has a power supply, with a torque application to a connection to be tightened until a predetermined pre-tension level is reached in the connection, after which the torque output is terminated, wherein after reaching the predetermined pre-tension level in the connection, the torque application to the connection by the tool is gradually terminated by gradually reducing the energy supply to the tool.

Die Erfindung sieht weiterhin eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum Anziehen von Schraubverbindungen, mit einem drehmomentabgebenden Motorwerkzeug, einer Energieversorgungseinrichtung, die das Werkzeug mit einer Energiequelle verbindet, und einer mit der Energieversorgungseinrichtung gekoppelten Steuereinheit vor, wobei durch die Steuereinheit das Abschalten der Energieversorgung zum Werkzeug bei Erreichen des vorbestimmten Vorspannungsniveaus und eine fortgeführte, allmählich verringerte Energiezufuhr zum Werkzeug nach Verlassen des vorbestimmten Vorspannungsniveaus auslösbar ist.The invention further provides a device for carrying out the method for tightening screw connections, with a torque-emitting motor tool, a power supply device which connects the tool to a power source, and a control unit coupled to the power supply device, wherein the control unit can trigger the switching off of the power supply to the tool when the predetermined preload level is reached and a continued, gradually reduced power supply to the tool after the predetermined preload level is left.

Nachstehend wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings. They show:

Fig. 1 ein Dreiachsendiagramm, welches das Verhältnis zwischen angelegtem Drehmoment, Position der Werkzeuggriffe und Zeit in drei verschiedenen Anziehfällen gemäß dem Stand der Technik zeigt;Fig. 1 is a three-axis diagram showing the relationship between applied torque, position of the tool handles and time in three different tightening cases according to the state of the art;

Fig. 2 ein Diagramm ähnlich dem in Fig. 1, welches jedoch die Anzugscharakteristiken zeigt, wenn das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung angewendet werden;Fig. 2 is a diagram similar to that in Fig. 1, but showing the tightening characteristics when the method and the device according to the invention are applied;

Fig. 3 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;Fig. 3 shows a device according to an embodiment of the invention;

Fig. 4 eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.Fig. 4 shows a device according to a further embodiment of the invention.

In dem Diagramm in Fig. 1 ist das Verhältnis zwischen dem Drehmoment M, das an die Schraubverbindung angelegt wird, der Steliung D des Werkzeuggriffs und der Zeit t für drei verschiedene Verbindungen I, II und III mit unterschiedlichem Drehmomentanstieg dargestellt. Verbindung I ist die steifste Verbindung mit einem sehr steilen Drehmomentanstieg und einer kurzen Dauer des Anziehvorgangs. Verbindung II hat einen mittleren Drehmomentanstieg, wohingegen Verbindung III einen niedrigen Steigungskoeffizienten des Drehmoments und eine vergleichsweise lange Dauer des Anziehvorgangs aufweist.In the diagram in Fig. 1, the relationship between the torque M applied to the screw connection, the position D of the tool handle and the time t is shown for three different Connections I, II and III are shown with different torque rises. Connection I is the stiffest connection with a very steep torque rise and a short tightening time. Connection II has a medium torque rise, whereas connection III has a low torque rise coefficient and a comparatively long tightening time.

Unterhalb der Zeitachse ist die Stellung D des Werkzeuggriffs als eine Funktion des angelegten Drehmoments M und der Zeit während des Anziehvorgangs dargestellt.Below the time axis, the position D of the tool handle is shown as a function of the applied torque M and the time during the tightening process.

In allen drei in Fig. 1 dargestellten Fällen wird das angelegte Drehmoment sehr schnell abgeschaltet, wie durch den vertikalen Teil am rechten Ende jeder Kurve gezeigt. Dieses sehr abrupte Abschalten des angelegten Drehmoments ist jedoch viel zu schneil im Verhältnis zur Fähigkeit des Menschen zu reagieren. Dies wird durch die D-Kurven dargestellt, die sich über die rechten Enden der zugehörigen M-Kurven erstrecken.In all three cases shown in Fig. 1, the applied torque is cut off very quickly, as shown by the vertical part at the right end of each curve. However, this very abrupt cut off of the applied torque is far too fast relative to the human ability to react. This is shown by the D-curves extending beyond the right ends of the corresponding M-curves.

Abhängig von der Dauer des Anziehvorgangs kann der Bediener überreagieren und dadurch einen Doppelstoß in den Werkzeuggriffen und in seinen eigenen Armen verursachen. Diese sehr häufige Situation ist als Anziehfall II in Fig. 1 dargestellt. Wenn die Dauer des Anziehvorgangs sehr kurz ist, wie durch Fall I in Fig. 1 gezeigt, ist der Bediener in seiner Reaktion zu langsam, um eine starke Muskelkraft aufbauen zu können. Stattdessen wird der Großteil des Reaktionsmoments von der Masse des Werkzeugs seibst und von der Masse der Arme des Bedieners aufgenommen.Depending on the duration of the tightening process, the operator may overreact, causing a double shock in the tool handles and in his own arms. This very common situation is shown as tightening case II in Fig. 1. If the duration of the tightening process is very short, as shown by case I in Fig. 1, the operator is too slow in his reaction to be able to build up a strong muscle force. Instead, most of the reaction torque is taken up by the mass of the tool itself and the mass of the operator's arms.

Beim Anziehen einer Verbindung mit einem niedrigen Steigungskoeffizienten des Drehmoments, wie im Fall III in Fig. 1, wird eine vergleichsweise lange Zeitdauer zum Erreichen des vorbestimmten Vorspannungsniveaus benötigt. In diesem Fall ist die Vorgangsdauer nicht nur lang genug für den Bediener, eine zum Gegenhalten eines kontinuierlichen Reaktionsmoments erforderliche Muskelkraft zu entwickeln, sondern auch lange genug, dar der Bediener eine Bereitschaft für die kommende Drehmomentunterbrechung entwickeln kann. Dies bedeutet, daß keine überreaktion stattfinden wird.When tightening a joint with a low torque gradient coefficient, as in case III in Fig. 1, a comparatively long time is required to reach the predetermined preload level. In this case the duration of the operation is not only long enough for the operator to develop the muscle power required to counteract a continuous reaction torque, but also long enough for the operator to develop a readiness for the coming torque interruption. This means that no overreaction will occur.

Um jedoch Überreaktionen des Bedieners zu vermeiden, die unbequeme und ermüdende Arbeitsbedingungen bewirken, verändern das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung den Anziehvorgang in solcher Weise, daß der Drehmomenteinsatz auf die Schraubverbindung zeitlich über den Punkt ausgedehnt wird, der das vorbestimmte Vorspannungsniveau darstellt. Der über ein Zeitintervall Δ t erweiterte Drehmomenteinsatz besitzt eine allmählich abfallende Charakteristik, und, wie in Fig. 2 dargestellt, wird das Drehmoment in linearer Weise nach und nach auf Null heruntergefahren.However, in order to avoid overreactions by the operator, which cause uncomfortable and tiring working conditions, the method and apparatus according to the invention modify the tightening process in such a way that the torque application to the screw joint is extended in time beyond the point representing the predetermined preload level. The torque application extended over a time interval Δt has a gradually decreasing characteristic and, as shown in Fig. 2, the torque is gradually ramped down to zero in a linear manner.

Die Abfallrate dM/dt des Drehmoments ist einstellbar, um die Charakteristiken des Drehmomenteinsatzes des Werkzeugs an die individuelle Reaktionsfähigkeit des jeweiligen Bedieners anzupassen. Beispielsweise sollte die Zeit Δt der Verlängerung des Drehmomenteinsatzes für den Vorspannungs-Drehmomentbereich 15 - 150 Nm innerhalb des Intervalls 0,1 - 0,5 s einstellbar sein, und für höhere Werte des Vorspannungsmoments sollte Δt weiter ausgedehnt werden. Eine geeignete Abfallrate dM/dt sollte bei 50 - 300 Nm/s liegen.The torque decay rate dM/dt is adjustable to adapt the torque application characteristics of the tool to the individual responsiveness of each operator. For example, the torque application extension time Δt for the preload torque range 15 - 150 Nm should be adjustable within the interval 0.1 - 0.5 s, and for higher preload torque values Δt should be further extended. A suitable decay rate dM/dt should be 50 - 300 Nm/s.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besitzt ein elektrisch angetriebenes Anziehwerkzeug 10 mit einem bürstenlosen Wechselstrommotor, einer Stromversorgung 11 und einer Steuereinheit 12. Die Stromversorgung 11 weist einen Wechselrichter auf, der von einer Gleichstrom-Spannungsquelle 14 mit Gleichstrom versorgt wird und Wechselstrom mit variabler Frequenz und Spannungsamplitude an das Werkzeug 10 liefert.The device shown in Fig. 3 has an electrically driven tightening tool 10 with a brushless AC motor, a power supply 11 and a control unit 12. The power supply 11 has an inverter which is supplied with direct current from a direct current voltage source 14 and supplies alternating current with variable frequency and voltage amplitude to the tool 10.

Zwischen der Gleichspannungsquelle 14 und der Stromversorgung 11 sind leistungserfassende Mittel 15 vorgesehen, die mit der Steuereinheit 12 verbunden sind. Mit letzterer sind auch Einstellmittel 16 für den Drehmomentanstieg verbunden, durch welche ein gewünschter Wert der Änderungsgeschwindigkeit dM/dt des Moments eingestellt werden kann.Between the DC voltage source 14 and the power supply 11, power-detecting means 15 are provided, which are connected to the control unit 12. The latter is also connected to adjusting means 16 for the torque increase, by means of which a desired value of the rate of change dM/dt of the torque can be set.

Die Steuereinheit 12 besitzt einen programmierbaren Prozessor, in welchem alle notwendigen Daten für einen Anziehvorgang hinterlegt sind.The control unit 12 has a programmable processor in which all necessary data for a tightening process are stored.

Fig. 3 zeigt weiterhin, daß das Maschinenwerkzeug einen Sensor 25 zum Erfassen des momentanen Drehmomentwertes während des Betriebs des Werkzeugs aufweist. Dieser Sensor 25 ist mit einer Vergleichereinheit 26 verbunden, in welcher die momentan erfaßten Drehmomentwerte mit einem gewünschten, eingestellten Wert verglichen werden. Sobald der momentan erfaßte Wert den voreingestellten Wert erreicht, wird ein Signal an die Steuereinheit 12 gegeben.Fig. 3 further shows that the machine tool has a sensor 25 for detecting the instantaneous torque value during operation of the tool. This sensor 25 is connected to a comparator unit 26 in which the instantaneously detected torque values are compared with a desired, set value. As soon as the instantaneously detected value reaches the preset value, a signal is sent to the control unit 12.

Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung besitzt ein pneumatisches Maschinenwerkzeug 30, das über zwei parallele Zufuhrleitungen 31, 32 mit Druckluft versorgt wird, von denen eine über ein Ventil 33 mit einer Druckluftquelle in Verbindung steht, wohingegen die andere über ein Ventil 36 und eine einstellbare Drossel 37 mit einem Druckspeicher 35 verbunden ist.The device shown in Fig. 4 has a pneumatic machine tool 30 which is supplied with compressed air via two parallel supply lines 31, 32, one of which is connected to a compressed air source via a valve 33, whereas the other is connected to a pressure accumulator 35 via a valve 36 and an adjustable throttle 37.

Während des Anziehens sind beide Ventile 33, 36 geöffnet und gestatten es der Druckluft, von der Druckluftquelle sowohl zu dem Werkzeug 30 als auch zu dem Druckspeicher 35 zu strömen. Sobald in der Verbindung das gewünschte, endgültige Vorspann nungsniveau erreicht wird, wird das Ventil 33 geschlossen, während das Ventil 36 noch offen ist und es der in dem Druckspeicher 35 gespeicherten Druckluft ermöglicht, das Werkzeug für ein weiteres Zeitintervall Δt in Betrieb zu halten. Die Entleerungsgeschwindigkeit des Druckspeichers wird durch die Einstellung der Drossel 37 bestimmt, und zusammen mit einem abfallenden Druck in der Zufuhrleitung 32 des Speichers sinkt auch das von dem Werkzeug 30 abgegebene Drehmoment. Die Entleerungsgeschwindigkeit des Druckspeichers 35 steht in direktem Zusammenhang mit der Abfallrate dM/dt des abgegebenen Drehmoments, was bedeutet, daß dM/dt durch Einstellung der Drossei 37 verändert werden kann.During tightening, both valves 33, 36 are open and allow compressed air to flow from the compressed air source to both the tool 30 and the accumulator 35. Once the desired final preload level is reached in the connection, the valve 33 is closed while the valve 36 is still open and allows the compressed air stored in the accumulator 35 to keep the tool in operation for a further time interval Δt. The The emptying rate of the accumulator is determined by the setting of the throttle 37, and together with a falling pressure in the supply line 32 of the accumulator, the torque delivered by the tool 30 also falls. The emptying rate of the accumulator 35 is directly related to the rate of decay dM/dt of the torque delivered, which means that dM/dt can be changed by adjusting the throttle 37.

Claims

1. Method for tightening screw connections by means of a torque-delivering tool which has a power supply, with a torque application to a connection to be tightened until a predetermined pre-tension level is reached in the connection, after which the torque output is terminated, characterized in that after the predetermined pre-tension level is reached in the connection, the torque application to the connection by the tool is gradually terminated by gradually reducing the energy supply to the tool.

2. Method according to claim 1, in which the torque application is continuously reduced at least over a substantial part of the torque range. which is limited on the one hand by a torque value that corresponds to the predetermined preload level and on the other hand by the zero level.

3. Method according to claim 1 or 2, in which the torque application is terminated in two successive steps, the first step beginning at the predetermined preload level and comprising a relatively short, sudden drop in the applied torque and the second step comprising a comparatively long, substantially linear drop in the applied torque.

4. Device for carrying out the method according to claims 1 to 3 for tightening screw connections, with a torque-emitting motor tool (10), a power supply device (11) which connects the tool to a power source, and a control unit (12) coupled to the energy supply device (11), characterized in that the control unit (12) can trigger the switching off of the energy supply to the tool when the predetermined preload level is reached and a continued, gradually reduced energy supply to the tool after the predetermined preload level is left.

5. Device according to claim 4, in which the control unit (12) for triggering the shutdown and the continued, gradually reduced energy supply has an adjusting element (16) with which the rate of decrease of the energy supply can be adjusted.