DE69018885T2

DE69018885T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen.

Info

Publication number: DE69018885T2
Application number: DE69018885T
Authority: DE
Inventors: John K Junkers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2010-02-07
Also published as: ES2073519T3; EP0405705A3; US5007153A; DE69018885D1; EP0405705A2; EP0405705B1; ATE121661T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen durch Anziehwerkzeuge, vgl. zum Beispiel EP-A-O 297 515.
Es ist bekannt, Schraubverbindungen, z.B. Schrauben, mittels entsprechender Schraubwerkzeuge anzuziehen und zu lösen. Hauptziel beim Festziehen von Schrauben mit Schraubwerkzeugen ist, beim Drehen einer Mutter auf einem Flanschglied, das an ein benachbartes Glied montiert werden soll, eine Schraube zu verlängern. Die Verlängerung der Schraube erzeugt eine Klemmkraft, die die Glieder zusammenhält. Es gibt mehrere Ansätze, die Klemmkraft bereitzustellen. Ein Ansatz ist die Verwendung von hydraulischen Drehmomentwerkzeugen, ein weiterer ist die Verwendung von Spannwerkzeugen, die die Schrauben hydraulisch verlängern, und ein weiterer Ansatz ist die Verwendung eines Mutterdrehverfahrens. Das gebräuchlichste Verfahren ist die Verlängerung einer Schraube unter Verwendung eines gesteuerten Drehmoments. Aufgrund des Einflusses von Reibung zwischen dem Gewinde und der Fläche der Mutter und der Schraube ergibt dieses Verfahren eine reine Klemmbelastungsgenauigkeit, aber keine Schraubenverlängerung. Bei Spannwerkzeugen, die auf die Schraube Zugwirkung ausüben und sie somit verlängern, wird die Schraubenverlängerung erreicht, bleibt aber ungenau aufgrund der Neigung der Schraube, sich zu entspannen, wenn die Spannvorrichtung abgenommen wird. Das Mutterdrehverfahren wäre ideal, wenn der richtige Anfangspunkt, an dem die Schraube anfängt, sich zu verlängern, genau bestimmt werden könnte. Der Begriff "Mutterdrehverfahren" wird hier zur Bezeichnung eines Verfahrens verwendet, demgemäß eine Mutter auf der Schraube gedreht wird, um die Glieder zusammenzuklemmen.
Bei den bekannten Verfahren zum Anziehen der Schraubverbindungen, die auf dem Mutterdrehprinzip beruhen, war es bisher nicht möglich, eine genau erwänschte Verlängerung der Schraube zu erreichen, um eine genau erwünschte Klemmkraft zu erzeugen. Obwohl dieses Verfahren bedeutende Vorteile aufweist, konnte es somit aufgrund der obengenannten Gründe nicht effizient eingesetzt werden.
In EP-A-0297515, US-A-4104779 sowie US-A-4211120 werden Verfahren und Vorrichtungen zum Anziehen von Schraubverbindungen offenbart. In ihnen werden jedoch Verfahren verwendet, bei denen die Streckgrenze einer Schraube beim Anziehen der Schraubverbindung erreicht wird, wodurch die Schraube bleibend verformt wird.
Folglich besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen zur Verfügung zu stellen, bei denen die obengenannten Nachteile vermieden werden.
Zum Erreichen dieses Ziels und anderer, die im folgenden noch ersichtlich werden, besteht ein Merkmal der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zum Anziehen einer Schraubverbindung nach dem folgenden Anspruch 1.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Anziehen einer Schraubverbindung zur Verfügung zu stellen, wobei die Vorrichtung Anspruch 8 entspricht.
Die neuartigen Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung erachtet werden, sind in den folgenden Ansprüchen aufgeführt. Die Erfindung selbst, sowohl hinsichtlich ihrer Ausführung als auch ihrer Funktionsweise zusammen mit deren zusätzlichen Zielen und Vorteilen, wird jedoch am besten anhand der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen verständlich, wenn diese in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Es zeigen:
Figur 1 eine Ansicht, in der eine Kennlinie eines Verfahrens zum Drehen einer Mutter auf einer Schraube und die Beziehung zwischen Drehmoment/Druck und einer Umdrehung einer Mutter in Grad dargestellt ist, und
Figur 2 eine Ansicht, in der eine Vorrichtung zum Anziehen einer Schraubverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
Die vorliegende Erfindung behandelt das Anziehen einer Schraubverbindung durch Drehen einer Mutter 1 auf einer Schraube 2. Die Mutter 1 und die Schraube 2 werden zum Montieren eines Flansches 3 mit z.B. zwei Flanschteilen 3a, 3b und einer Dichtung (nicht gezeigt) dazwischen verwendet.
Ein Werkzeug, beispielsweise ein Schraubenschlüssel 4, nimmt die Mutter 1 in Eingriff, um sie auf der Schraube 2 zu drehen. Das Werkzeug kann einer beliebigen bekannten Ausführung sein, die in der Praxis Anwendung findet. Bei dem Werkzeug kann es sich zum Beispiel um einen pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Schraubenschlüssel handeln, der durch eine Versorgungsleitung 5 ein Arbeitsfluid empfängt, so daß das Arbeitsfluid einen Kolben 15 mit einer Kolbenstange verschiebt, der wiederum eine mit einem Klinkenrad 8, das mit einer Mittelbohrung zur Ineingriffnahme der Mutter 1 versehen ist, in Eingriff stehende Sperrklinke 16 dreht.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, wurde festgestellt, daß beim Drehen einer Mutter auf einer Schraube die Kennlinie, die eine Beziehung zwischen einem Drehmoment/Druck, das bzw. der auf die Mutter ausgeübt wird, und einer Drehung der Mutter darstellt, anfangs einen gekrümmten Abschnitt und danach einen geraden Abschnitt aufweist. Der bei Punkt A beginnende und bei Punkt B endende anfängliche gekrümmte Abschnitt spiegelt das Aneinanderanlagern der Flanschteile, ihrer Schrauben sowie Dichtungen usw. wider. Wenn diese Teile zur Anlage gekommen sind, beginnt die eigentliche Verlängerung der Schraube. Diese Beziehung wurde bei Forschungen festgestellt, die in "Design and Performance of an Automatic Control System for Fastener Tightening" (Konstruktion und Wirkungsweise eines automatischen Steuerungssystems zum Anziehen von Befestigungselementen), aus der Veröffentlichung der "Institution of Mechanical Engineers, Proceedings 1977", Volumen 191 38/77, beschrieben werden. In der obengenannten Veröffentlichung wurde vorgeschlagen, die Schraubverbindung über die Streckgrenze der Schraube hinaus anzuziehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Beziehung zwischen Drehmoment/Druck, das bzw. der auf die Mutter ausgeübt wird, und Grad der Umdrehung der Mutter ständig überwacht. Der erste Parameter wird beispielsweise von einem Druckwandler 6 überwacht, der mit der das Werkzeug 4 mit dem Arbeitsfluid versorgenden Versorgungsleitung 5 verbunden ist. Der Umdrehungsgrad der Mutter wird von einem bewegnngserfassenden Wandler 7, beispielsweise durch Überwachen der Position einer Markierung, die zum Beispiel am Klinkenrad des Werkzeugs 4 vorgesehen ist, überwacht. Die Signale von den Wandlern 6 und 7 werden einer Verarbeitungsvorrichtung 11 zugeführt, die die empfangenen Istwerte verarbeitet, die beispielsweise auf einer Anzeigevorrichtung 9 angezeigt werden können, die auf auf ihrem Bildschirm die Kennlinie entsprechend der Kennlinie in der Figur 1 zeigt. Wenn die Kennlinie den Punkt B erreicht, dreht eine Bedienperson die Mutter 1 über eine vorbestimmte weitere Winkelstrecke oder einen vorbestimmten weiteren Umdrehungsgrad und hört auf, die Mutter zu drehen, wenn eine gewünschte Schraubenverlängerung erreicht ist. Durch Kenntnis der Anzahl der Gewindegänge pro cm an der Schraube kann die Verlängerung festgestellt werden. Da die meisten in den Vereinigten Staaten verwendeten Schrauben 3,15 Gewindegänge pro cm (8 Gewindegänge pro Zoll) aufweisen, entspricht jede volle Umdrehung einer Mutter einer Schraubenverlängerung von 0,32 cm (125/1000 eines Zolls). Deshalb kann zu Anfang vorbestimmt werden, welcher Umdrehungsgrad der Mutter erforderlich ist, um die gewünschte Verlängerung zu erreichen.
Andererseits kann das Drehen der Mutter 1 in dem Moment automatisch gestoppt werden, wenn die gewünschte Verlängerung der Schraube erreicht ist. In diesem Fall kann die Verarbeitungsvorrichtung 11 mit einem Ventil 10 verbunden und so programmiert werden, daß das Ventil 10, welches in der das Werkzeug 4 mit dem Arbeitsfluid versorgenden Versorgungsleitung 5 angeordnet ist, die Versorgungsleitung schließt, wenn die Beziehung zwischen Drehmoment/Druck und Umdrehungsgrad der Mutter den Punkt B erreicht.
Ein wichtiges Erfindungsmerkmal ist, daß die Drehung der Mutter aufhört, wenn eine gewünschte Schraubenverlängerung erreicht ist, wobei die Schraubenverlängerung immer unter der Streckgrenze der Schraube gehalten werden kann. Ein Überschreiten der Streckgrenze 5der Schraube bedeutet eine bleibende Verlängerung, was auf diesem Gebiet höchst unerwünscht ist.
Wenn das Verfahren ausgeführt wird und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wird zum zuverlässigen Anziehen der Schraubverbindung eine genau erwünschte Schraubenverlängerwig erreicht, und gleichzeitig wird die Gefahr ausgeschaltet, die Streckgrenze einer Schraube zu überschreiten.
Es sollte betont werden, daß die Verarbeitungsvorrichtung 11 für eine Vielfalt an Schraubengängen pro cm einstellbar sein kann, so daß sie für eine große Anzahl von Schraubverbindungen verwendet werden kann.
Die Erfindung wurde zwar anhand eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen veranschaulicht und beschrieben, sie soll jedoch nicht auf die gezeigten Einzelheiten beschränkt werden, da verschiedene Modifikationen und strukturelle Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Anziehen einer Schraubverbindung mit einer Schraube (2) und einer Mutter (1), das die folgenden Schritte umfaßt: Drehen einer Mutter auf einer Schraube, ständige Überwachung einer Beziehung zwischen einem zum Drehen der Mutter angelegten Druck und einer Winkelstrecke des Drehens der Mutter (1) und Verwendung der überwachten Beziehung zur Feststellung der angezogenen Position der Mutter (1) auf der Schraube (2), gekennzeichnet durch ständige Überwachung jener Beziehung unterhalb einer Streckgrenze der Schraube, Feststellung einer Position der Mutter aus jener überwachten Beziehung, in der eine Verlängerung der Schraube unterhalb einer Streckgrenze der Schraube beginnt, und Beendigung der Überwachung nach jener Feststellung, und danach Drehen der Mutter nur über eine solche zusätzliche Winkelstrecke, daß eine gewünschte Verlängerung der Schraube (2) unterhalb ihrer Streckgrenze erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jene Überwachung die Überwachung des zum Drehen der Mutter (1) angelegten Drucks mittels Erfassung eines einem Werkzeug (4), das die Mutter (1) auf einer Schraube (2) dreht, zugeführten Drucks (über 6) eines Arbeitsfluids umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jene Überwachung des Drehens der Mutter (1) die Erfassung (über 7) von Bewegung der Mutter während ihres Drehens auf der Schraube umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Bewegung der Mutter die Erfassung einer Bewegung eines die Mutter haltenden Teils (8) eines Werkzeugs (4), das die Mutter dreht, umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch das Anzeigen der Beziehung zwischen dem Druck und der Winkelstrecke auf einer Anzeige (9), so daß eine Bedienperson den Punkt (B) auf der Anzeige feststellen kann, an dem die Verlängerung der Schraube (2) beginnt, und dann die Mutter (1) über die zusätzliche Winkelstrecke dreht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt des automatischen Abstellens eines Werkzeugs (4), das eine Mutter (1) auf einer Schraube (2) dreht, wenn die gewünschte Verlängerung der Schraube erreicht ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das automatische Abstellen die Unterbrechung (über 10) einer Versorgung des Werkzeugs (4), das die Mutter auf der Schraube dreht, mit einem Arbeitsmedium umfaßt.

8. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 7 zum Anziehen einer Schraubverbindung mit einer Schraube (2) und einer Mutter (1), die folgendes umfaßt: ein Werkzeug (4) zum Drehen einer Mutter auf einer Schraube und Mittel (6, 7, 9, 11) zur Feststellung einer Beziehung zwischen einem zum Drehen der Mutter angelegten Druck und einer Winkelstrecke des Drehens der Mutter, dadurch gekennzeichnet, daß jene Mittel (6, 7, 9, 11) zur Feststellung der Beziehung jene Beziehung unterhalb einer Streckgrenze der Schraube feststellen, um einen Moment (B) festzustellen, in dem eine Verlängerung der Schraube unterhalb der Streckgrenze der Schraube beginnt, woraufhin das Werkzeug (4) die Mutter (1) über eine zusätzliche Winkelstrecke dreht, um eine gewünschte Verlängerung der Schraube (2) wesentlich unterhalb ihrer Streckgrenze zu erreichen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jene Mittel zur Feststellung der Beziehung ein Anzeigemittel (9) zum Anzeigen der Beziehung zwischen dem an der Mutter (1) angelegten Druck und der Winkelstrecke des Drehens der Mutter (1) umfassen, so daß eine Bedienperson auf dem Anzeigemittel (9) den Moment (B) feststellen kann, in dem die Verlängerung der Schraube beginnt, und dann die Mutter über die vorbestimmte zusätzliche Winkelstrecke dreht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel (10) zum automatischen Anhalten des Drehens der Mutter (1), wenn die gewünschte Verlängerung der Schraube (2) erreicht ist, vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jenes automatische Mittel folgendes umfaßt: einen in einer Versorgungsleitung (5) zur Versorgung des Werkzeugs (4) mit einem Arbeitsfluid angeordneten Drucksensor (6) zur Erfassung eines am Werkzeug zum Drehen der Mutter (1) angelegten Drucks des Arbeitsfluids, einen Bewegungsdetektor (7) zur Erfassung einer Winkelposition der Mutter (1) und ein Mittel (11) zum Empfang von Signalen von jenem Drucksensor (6) und jenem Bewegungsdetektor (7) und zum Abstellen einer Versorgung des Arbeitsfluids in der Versorgungsleitung (5), wenn das Empfangsmittel (11) eine solche Beziehung zwischen dem Druck und der Winkelstrecke feststellt, bei der die gewünschte Verlängerung der Schraube unterhalb der Streckgrenze erreicht ist.