EP1412135A1 - Verfahren zur steuerung eines intermittierend arbeitenden schraubwerkzeugs - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines intermittierend arbeitenden schraubwerkzeugs

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EP1412135A1
EP1412135A1 EP02760283A EP02760283A EP1412135A1 EP 1412135 A1 EP1412135 A1 EP 1412135A1 EP 02760283 A EP02760283 A EP 02760283A EP 02760283 A EP02760283 A EP 02760283A EP 1412135 A1 EP1412135 A1 EP 1412135A1
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EP
European Patent Office
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torque
angle
rotation
stroke
joining
Prior art date
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EP02760283A
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Paul-Heinz Wagner
Ulf Sittig
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Individual
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Publication date
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Publication of EP1412135A1 publication Critical patent/EP1412135A1/de
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Publication of EP1412135B1 publication Critical patent/EP1412135B1/de
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    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25B21/004—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose of the ratchet type
    • B25B21/005—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose of the ratchet type driven by a radially acting hydraulic or pneumatic piston
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    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a screwing tool, which performs intermittently rotating strokes and has a torque sensor and a rotation angle sensor.
  • the invention is based on the object of specifying a method for controlling a screwing tool with which a high degree of accuracy and reproducibility of the screwing process is achieved, so that the screwing processes carried out with this method offer the security of the correct tightening of the screw.
  • the increment of the angle of rotation continues when the torque reaches a value that corresponds to the torque at the end of the previous stroke corresponds and storage of the values of angle of rotation and torque reached at the end of the stroke
  • a torque mode is first carried out in which the screw is tightened to a joining torque.
  • the previously defined joining torque is dimensioned in such a way that the parts to be connected have a certain hold, so that the screw connection is already generally secured when the joining torque is reached.
  • the system switches to the angle of rotation mode, in which a certain predetermined angle of rotation, which is referred to as the target angle, is swept over.
  • the rotation angle is covered by incrementing the rotation angle, which is supplied by a rotation angle sensor.
  • the method according to the invention enables reliable control of the screwing process. It is assumed that the joining torque is reproducible in torque mode and with high accuracy can be determined. From the moment the joining torque is reached, the system switches to the angle of rotation mode, in which an angle measurement is carried out until the target angle is reached. The screwing process is therefore only terminated as a function of the angle of rotation that was swept after reaching the joining torque.
  • the angle of rotation mode is only started when the joining torque is reached from the movement. If the joining torque is reached, for example, at the end of a stroke while the turning process has come to a complete or almost standstill, there are no defined frictional relationships on the screw connection. It can also happen that the torque rises above the value of the joining torque due to temporary hooking or blocking, so that a random state would be assumed for the start of the angle of rotation mode. In order to avoid this, the achievement of the joining moment is only assumed if the screwing process takes place in a linear area, namely at a certain distance from the end of the stroke.
  • the counting-up in the event that after the joining torque has been reached during a stroke, the counting-up remains below a predetermined limit value, the reaching of the joining moment is not utilized and the utilization is shifted to the next stroke.
  • This condition corresponds to the case that the joining torque is reached at the end of a stroke.
  • the torque mode is retained and a new stroke is carried out in the torque mode after the next return stroke, in which the joining torque is then reached again.
  • This second achievement of the joining moment is evaluated in order to form the zero point of the angle count.
  • the method according to the invention also enables the differential quotient of the dependency between torque and angle of rotation to be determined and evaluated.
  • this differential quotient is determined and stored before the joining torque is reached. On the basis of the respectively measured torque and the stored differential quotient, it is predetermined whether the joining torque is reached at the end of the stroke.
  • the torque indicates the actual state and the differential quotient enables extrapolation, so that it can be predetermined whether the joining torque is reached at the end of the stroke. If this is the case, the stroke is ended before the stroke end is reached, so that the achievement of the joining moment is postponed to the next stroke.
  • the differential quotient of the dependency between torque and angle of rotation can also be used for the control of the angle of rotation mode, the screwing operation being discarded if a deviation outside the tolerance range from the stored value is found while the angle of rotation is being counted up.
  • anomalies can be identified, for example the blocking of a screw or a screw resistance that is far too high. Such a condition occurs when the screwing tool is attached to a screw that is already tightened. Even screws that are too easy to move after reaching the joining torque can be identified and discarded.
  • a narrower special tolerance range is expediently defined in an angular range before the target angle is reached. This ensures that the target angle is approached only with a differential quotient that is close to the stored predetermined differential quotient. It prevents the target angle from being reached with a jerk. If the differential quotient is outside the special tolerance range, the screwing process is rejected.
  • 1 is a schematic representation of a hydraulic power wrench with torque sensor and angle of rotation sensor
  • Fig. 3 is a diagram of the torque over the angle of rotation during a screwing
  • Fig. 4 shows the determination of the differential quotient of the linear branch of a stroke.
  • a hydraulic power wrench is shown.
  • This' has a drive part 10 and a functional part 11.
  • the drive part contains a hydraulic cylinder in which a piston 12 is slidably guided.
  • the piston 12 is driven hydraulically in the feed direction (according to FIG. 1 to the left) and in the retraction direction (to the right).
  • a pivotable connection device 13 has a pressure connection and a return connection.
  • the functional part 11 has a housing 14 in which a ratchet lever 15 moves.
  • the ratchet lever 15 is connected to the piston 12 via a piston rod 16.
  • a shaft 17 is rotatably mounted in a transverse bore in the housing 14.
  • the shaft 17 has in the interior of the housing 14 a circumferential toothing 18, in which a toothing (not shown) of the ratchet lever 15 engages. With each stroke of the piston 12, the shaft 17 is rotated about its axis by a certain angular amount. This is followed by the return stroke of the ratchet lever 15, in which the shaft 17 is not taken along.
  • the shaft 17 has at one end a driving device in the form of a plug-in recess 21 of hexagonal cross section.
  • a torsion sensor 23 in the form of the measuring strips that are glued to the peripheral wall.
  • the region of the shaft 17 which carries the torsion sensor 23 forms the measuring section 25.
  • a data transmission element 28 is provided at the rear end of the shaft 17.
  • a cable channel 29 extends from the torsion sensor 23 to the data transmission element 28.
  • the data transmission element 28 is, for example, a slip ring arrangement which connects an external cable 30 to the torsion sensor 23, which is rotatable with the shaft 17. Alternatively, the transmission can also take place wirelessly.
  • the cable 30 leads to a cable connection 31 (FIG. 1) which is provided on the housing 14 and to which a control device can be connected.
  • the hydraulic power wrench is also equipped with a rotation angle measuring device 33. This has a code disk 34, which is fastened to the shaft 17, and an angle sensor 35, which reacts to the lines of the code disk 34 and thereby generates rotation angle pulses.
  • the angle sensor 35 consists of a fork light barrier into which the code disk protrudes radially from the shaft 17.
  • a cable 38 leads from the angle sensor 25 to the cable connection 31, so that both the torsion sensor 23 and the angle sensor 35 are electrically accessible at the cable connection 31.
  • the signals from the torque sensor 23 and the angle of rotation sensor 33 are fed to a control unit (not shown) which in turn controls a valve which can interrupt the pressure supply in the hose connections 13.
  • a control unit not shown
  • the operation of the power wrench is controlled in such a way that the two hydraulic connections of the power wrench are alternately connected to a pressure line and a return line, the ' reversing being carried out either mechanically by actuating a reversing valve when the piston 12 hits the relevant stop and there is no further movement, or by automatic reversing.
  • the joining moment M F is run through in motion, ie the mode is changed from DMM to DWM without the stroke being interrupted.
  • the torque reaches the value M HF i f, which relates to the stroke end 1 after the joining torque has been reached.
  • the torque goes back to 0 and on the third stroke there is first a non-linear increase 53 until the torque M HEI is reached and then a linear region 54 follows, in which the screw is further tightened.
  • the value of the torque at the end of the stroke M HEI HE2 and HE3 is saved, as well as the associated angle of rotation OC HEI ⁇ ⁇ HE2 / O.HE3- If the torque on the next stroke has reached the same value as the torque end of the previous stroke, the further counting of the angle of rotation ⁇ begins.
  • the angle ⁇ HE i r that was stored at the end of the second stroke also forms the initial angle O. A2 at which the counting continues in the linear region 54 during the third stroke.
  • the final value HE2 is saved and at the 4th stroke the angle continues to be counted with the value ⁇ H A3 r which is equal to ⁇ H E2.
  • the screwing process is ended when a target angle ⁇ z has been reached, which is fixed, for example, at 90 ° (after the joining torque M F has been reached ). Then the power wrench is switched off. The screw is now tightened in a defined manner, the desired tension of the screw bolt being reached.
  • the condition for the detection of the angle of rotation is that the angle of rotation is only counted up when the torque measured at the same time has at least the height of the joining moment M F. This ensures that the angle of rotation is generally only recorded from the moment of joining.
  • the reaching of the joining moment should only be determined when the linear part of the clamping line is traversed, in the middle between the end points. If the joining torque is reached in the upper end of the linear range, the achievement of the joining torque is redetermined.
  • Such an operating mode is possible both with manual control of the power wrench and with automatic control.
  • the differential quotient of the relationship between torque and angle of rotation is determined, i.e. the slope of the straight line.
  • M D ⁇ means the torque that is measured at a certain angle of rotation ⁇ i after the joining torque has been reached
  • the torque M D2 is the torque that is measured at a higher angle of rotation ⁇ 2 .
  • the differential quotient Q can also be used for other tests, for example to check whether a screw has already been tightened. In this case, the power wrench works at very high torque without further rotation. As a result, the differential quotient is outside a tolerance range. The screwing process is then stopped.
  • the differential quotient can also be evaluated immediately before the target value is reached.
  • a special tolerance range is defined for the differential quotient and the target value is only considered to have been reached if the differential quotient was previously determined in the special tolerance range. In this way it is avoided that the target angle is reached by a sudden jerk.
  • Another possibility is to measure the duration of the individual strokes, the screwing process being rejected if the duration is too long. For example, it is possible to measure numerous durations of the individual strokes in several tightening operations for a specific screwdriving event and then to define an average stroke duration that is saved. In the same way also for the differential quotient Q, a typical value of many ', telt previously averaged values measured or determined in other ways.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Das Verfahren zur Steuerung eines intermittierenden Schraubvorganges sieht vor, dass zuerst in einem Drehmomentmodus (DMM) gearbeitet, bei dem das Drehmoment laufend gemessen wird. Nach Erreichen eines Fügemomentes (MF) wird auf einen Drehwinkelmodus (DWM) übergegangen, bei dem der Drehwinkel gemessen wird. Ausgehend von dem Drehwinkel alpha = 0 (der dem Fügemoment (MF) entspricht) erfolgt bei jedem Hub ein Hochzählen des Drehwinkels ( alpha ). Dabei wird dasjenige Moment (MHE), das am Hubende erreicht wurde, gespeichert. Bei dem nächstfolgenden Hub beginnt die Weiterzählung des Winkels ( alpha ) erst dann, wenn das Moment (MHE) am Hubende des vorigen Hubes wieder erreicht wurde. Bei Erreichen eines Zielwinkels ( alpha Z) erfolgt die Beendigung des Schraubvorganges.

Description

Verfahren zur Steuerung eines intermittierend arbeitenden
Schraubwerkzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Schraubwerkzeugs, das intermittierend drehende Hübe ausführt und einen Drehmomentsensor und einen Drehwinkelsensor aufweist.
Es ist bekannt, zum Festziehen von Schrauben hydraulische Kraftschrauber zu verwenden, die eine Kolbenzylindereinheit aufweisen, welche einen Ratschenhebel hin- und hergehend antreibt. Der Ratschenhebel treibt ein Ringelement, welches über eine Schlüsselnuss mit der zu drehenden Schraube gekoppelt wird. Durch die drehenden Hübe des Ratschenhebels in der einen Richtung wird die Schraube festgezogen, während der Rückhub des Ratschenhebels leer erfolgt.
Bei Schrauben, die mit Kraftschraubern angezogen werden, muss häufig eine vorgegebene Vorspannung genau eingehalten werden, damit die Schraube einerseits den zugehörigen Bolzen in de- finierter Weise spannt, andererseits aber den Bolzen auch nicht überspannt. Zur Erzielung einer definierten Spannung reicht es nicht aus, bei einem hydraulischen Kraftschrauber den Hydraulikdruck zu messen und den Schraubvorgang zu beenden, wenn der Hydraulikdruck einen Grenzwert erreicht. Beim Festziehen von Schrauben können unvermutete Hindernisse auftauchen, wie beispielsweise Verhakungen oder Verkantungen, die durch Fehlstellen im Gewinde oder durch Rost hervorgerufen werden. Der Schraubwiderstand ist ein geeignetes Maß zur Erzielung definierter Schraubbedingungen.
Der Erfindeung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Schraubwerkzeugs anzugeben mit dem ein hohes Maß an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Schraubvorganges erreicht wird, so dass die mit diesem Verfahren durchgeführten Schraubvorgänge die Sicherheit des ordnungsgemäßen Festziehens der Schraube bieten.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach wird die Ver- schraubung mit den folgenden Schritten durchgeführt:
- Durchführung drehender Hübe unter Messung des Drehmoments in einem Drehmomentmodus,
bei Erreichen eines vorgegebenen Fügemoments: Durchführung eines Drehwinkelmodus durch Hochzählen des Drehwinkels bis zum Ende des laufenden Hubes und Speicherung der am Hubende erreichten Werte von Drehwinkel und Drehmoment,
bei jedem nachfolgenden Hub: Fortsetzung des Hochzählens des Drehwinkels dann, wenn das Drehmoment einen Wert erreicht, der dem Drehmoment am Ende des vorhergehenden Hubs entspricht, und Speicherung der am Hubende erreichten Werte von Drehwinkel und Drehmoment,
Beenden des Schraubvorganges, wenn der hochgezählte Drehwinkel einen Zielwinkel erreicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Drehmomentmodus durchgeführt, bei dem die Schraube bis zu einem Fügemoment festgezogen wird. Das zuvor festgelegte Fügemoment wird so bemessen, dass die zu verbindenden Teile einen gewissen Halt haben, so dass die Schraubverbindung bei Erreichen des Fügemoments bereits grundsätzlich gesichert ist. Bei Erreichen des Fügemoments wird in den Drehwinkelmodus übergegangen, bei dem ein bestimmter vorgegebener Drehwinkel, der als Zielwinkel bezeichnet wird, überstrichen wird. Das Überstreichen des Drehwinkels erfolgt unter Hochzählung von Inkrementen des Drehwinkels, die von einem Drehwinkelsensor geliefert werden.
Zur Erreichung des Zielwinkels sind mehrere Hübe des Schraubwerkzeugs erforderlich. Bei jedem Hub werden Drehmoment und Drehwinkel erhöht und bei dem anschließenden Rückhub geht das Drehmoment auf Null zurück. Bei dem nachfolgenden Hub erhöht sich das Drehmoment sehr schnell. Erfindungsgemäß erfolgt das Weiterzählen des Drehwinkels erst dann, wenn bei einem nachfolgenden Hub dasselbe Drehmoment erreicht wurde, bei dem der vorhergehende Hub beendet wurde. Dieses Drehmoment am Ende eines Hubes wird in einem Speicher gespeichert, ebenso wie der bis zu diesem Zeitpunkt akkumulierte Drehwinkel.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine sichere Steuerung des Schraubvorganges. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Fügemoment im Drehmomentmodus reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Vom Erreichen des Fügemoments an wird in den Drehwinkelmodus übergegangen, bei dem eine Winkelmessung bis zum Erreichen des Zielwinkels durchgeführt wird. Die Beendigung des Schraubvorgangs erfolgt also nur in Abhängigkeit von dem Drehwinkel, der nach dem Erreichen des Fügemoments überstrichen wurde.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehwinkelmodus nur dann begonnen wird, wenn das Fügemoment aus der Bewegung heraus erreicht wird. Wenn das Fügemoment beispielsweise am Ende eines Hubes erreicht wird während der Drehvorgang ganz oder annähernd zum Stillstand gekommen ist, ergeben sich keine definierten Reibungsverhältnisse an der Schraubverbindung. Es kann auch der Fall eintreten, dass durch vorrübergehendes Haken oder Blockierung das Drehmoment über den Wert des Fügemoments ansteigt, so dass für den Beginn des Drehwinkelmodus ein zufallsbedingter Zustand angenommen würde. Um dies zu vermeiden, wird das Erreichen des Fügemoments nur dann angenommen, wenn der Schraubvorgang in einen linearen Bereich erfolgt, und zwar in einem gewissen Abstand vom Hubende .
Bei einer bevorzugten .Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Fall, dass nach Erreichen des Fügemoments während eines Hubes das Hochzählen unter einem vorgegebenen Grenzwert bleibt, das Erreichen des Fügemoments nicht verwertet und die Verwertung auf den nächsten Hub verschoben. Diese Bedingung entspricht dem Fall, dass das Fügemoment am Ende eines Hubes erreicht wird. In diesem Fall bleibt der Drehmomentmodus erhalten und es wird nach dem nächsten Rückhub ein neuer Hub im Drehmomentmodus durchgeführt, bei dem dann das Fügemoment noch einmal erreicht wird. Dieses zweite Erreichen des Fügemoments wird ausgewertet, um den Nullpunkt der Winkelzählung zu bilden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auch, den Differentialquotienten der Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehwinkel zu ermitteln und zu verwerten.
Bei einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens wird dieser Differentialquotient schon vor Erreichen des Fügemoments ermittelt und gespeichert. Anhand des jeweils gemessenen Drehmoments und des gespeicherten Differentialquotient wird vorherbestimmt, ob das Fügemoment am Hubende erreicht wird. Das Drehmoment gibt den Ist-Zustand an und der Differentialquotient ermöglicht eine Hochrechnung, so dass vorherbestimmt werden kann, ob das Fügemoment am Hubende ..erreicht wird. Ist dies der Fall, dann wird bereits vor dem Erreichen des Hubendes der Hub beendet, so dass das Erreichen des Fügemoments auf den nächstfolgenden Hub verschoben wird.
Der Differentialquotient der Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehwinkel kann auch für die Kontrolle des Drehwinkelmodus benutzt werden, wobei der Schraubvorgang verworfen wird, wenn während des Hochzählens des Drehwinkels eine außerhalb eines Toleranzbereichs liegende Abweichung von dem gespeicherten Wert festgestellt wird. Auf diese Weise können Anomalien festgestellt werden, beispielsweise das Blockieren einer Schraube oder ein viel zu hoher Schraubwiderstand. Ein solcher Zustand tritt auf, wenn das Schraubwerkzeug an eine Schraube angesetzt wird, die bereits festgezogen ist. Auch Schrauben, die nach Erreichen des Fügemoments zu leichtgängig sind, können festgestellt und ausgesondert werden.
In einem Winkelbereich vor Erreichen des Zielwinkels wird zweckmäßigerweise ein engerer besonderer Toleranzbereich definiert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Ziel- winkel nur mit einem Differentialquotienten angefahren wird, der nahe dem gespeicherten vorbestimmten Differentialquotienten liegt. Es wird verhindert, dass der Zielwinkel mit einem Ruck erreicht wird. Liegt der Differentialquotient außerhalb des besonderen Toleranzbereichs, wird der Schraubvorgang verworfen.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Zeitdauer der einzelnen Hübe zu messen und den Schraubvorgang bei zu großer Zeitdauer zu verwerfen. Damit werden solche Schraubverbindungen ausgeschlossen, bei denen Irregularitäten vorhanden sind.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Kraftschraubers mit Drehmomentsensor und Drehwinkelsensor,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt entlang der Linie II/II von Fig. 1,
Fig. 3 ein Diagramm des Drehmoments über dem Drehwinkel bei einem Schraubvorgang und
Fig. 4 eine Darstellung der Ermittlung des Differentialquotienten des linearen Astes eines Hubes.
In den Fig. 1 und 2 ist ein .hydraulischer Kraftschrauber dargestellt. Dieser 'weist einen Antriebsteil 10 und einen Funktionsteil 11 auf. Der Antriebsteil enthält einen hydraulischen Zylinder, in dem ein Kolben 12 verschiebbar geführt ist. Der Antrieb des Kolbens 12 erfolgt in der Vorschubrichtung (gem. Fig. 1 nach links) und in der Rückzugsrichtung (nach rechts) jeweils hydraulisch. Eine schwenkbare Anschlussvorrichtung 13 hat einen Druckanschluss und einen Rücklaufanschluss .
Der Funktionsteil 11 weist ein Gehäuse 14 auf, in dem sich ein Ratschenhebel 15 bewegt. Der Ratschenhebel 15 ist mit dem Kolben 12 über eine Kolbenstange 16 verbunden. In einer Querbohrung des Gehäuses 14 ist eine Welle 17 drehbar gelagert. Die Welle 17 weist im Innern des Gehäuses 14 eine umlaufende Verzahnung 18 auf, in die eine (nicht dargestellt) Verzahnung des Ratschenhebels 15 eingreift. Bei jedem Hub des Kolbens 12 wird die Welle 17 um einen bestimmten Winkelbetrag um ihre Achse gedreht. Danach erfolgt der Rückhub des Ratschenhebels 15, bei dem die Welle 17 nicht mitgenommen wird.
Die Welle 17 weist an einem Ende eine Mitnahmevorrichtung in Form einer Einsteckausneh ung 21 von sechseckigem Querschnitt auf. In einem Hohlraum 22 der Welle 17 befindet sich ein Torsionssensor 23 in Form von den Messstreifen, die auf die Um- fangswand aufgeklebt sind. Der den Torsionssensor 23 tragende Bereich der Welle 17 bildet den Messabschnitt 25.
An dem rückwärtigen Ende der Welle 17 ist ein Datenübertragungselement 28 vorgesehen. Von dem Torsionssensor 23 erstreckt sich ein Kabelkanal 29 zu dem Datenübertragungselement 28. Das Datenübertragungselement 28 ist beispielsweise eine Schleifringanordnung, welche ein externes Kabel 30 mit dem Torsionssensor 23, der mit der Welle 17 drehbar ist, verbindet. Alternativ kann die Übertragung auch drahtlos erfolgen. Das Kabel 30.führt zu einem Kabelanschluss 31 (Fig. 1) , der an dem Gehäuse 14 vorgesehen ist und an den ein Steuergerät angeschlossen werden kann. Der hydraulische Kraftschrauber ist ferner mit einer Drehwinkel-Messvorrichtung 33 ausgestattet. Diese weist eine Code- Scheibe 34 auf, welche an der Welle 17 befestigt ist, und einen Winkelsensor 35, der auf die Striche der Code-Scheibe 34 reagiert und dadurch Drehwinkelimpulse erzeugt. Der Winkelsensor 35 besteht aus einer Gabel-Lichtschranke, in die die radial von der Welle 17 abstehende Code-Scheibe hineinragt. Von dem Winkelsensor 25 führt ein Kabel 38 zu dem Kabelanschluss 31, so dass sowohl der Torsionssensor 23 als auch der Winkelsensor 35 an dem Kabelanschluss 31 elektrisch zugänglich ist.
Die Signale des Drehmomentsensors 23 und des Drehwinkelsensors 33 werden einem (nicht dargestellten) Steuergerät zugeführt, das seinerseits ein Ventil steuert, welches die Druckzufuhr in den Schlauchanschlüssen 13 unterbrechen kann. Im übrigen wird der Betrieb des Kraftschraubers in der Weise gesteuert, dass die beiden hydraulischen Anschlüsse des Kraftschraubers abwechselnd mit einer Druckleitung und einer Rücklaufleitung verbunden werden, wobei das ' Umsteuern entweder mechanisch erfolgt durch Betätigung eines Umsteuerventils, wenn der Kolben 12 gegen den betreffenden Anschlag gestoßen ist und keine Weiterbewegung mehr erfolgt, oder durch automatisches Umsteuern.
Fig. 3 zeigt für einen bestimmten Schraubfall die Abhängigkeit zwischen dem Drehmoment MD und dem Drehwinkel α. Bei dem ersten Hub des Kraftschraubers erfolgt zunächst ein nicht linearer Anstieg 50 des Drehmoments in Bezug auf den Drehwinkel und dann, wenn die Schraubverbindung greift, ein linearer Anstieg 51, bei dem der Schraubbolzen gedehnt wird. Bei dem Rückhub des Kraftschraubers sinkt das Drehmoment MD im Bereich 52 auf Null, wonach sich dann der 2. Hub anschließt. Bis zum Erreichen eines vorher festgelegten Fügemoments MF erfolgt das Schrauben im Drehmomentmodus DM, also unter Messung des Drehmoments. Wenn das Drehmoment den Wert des Fügemoments MF erreicht hat, geht der Modus in den Drehwinkelmodus DWM über. Zum Zeitpunkt des Erreichens des Fügemoments wird der Drehwinkel α = 0 definiert, so dass das anschließende Hochzählen des Drehwinkels jeweils auf denjenigen Drehwinkel bezogen ist, bei dem das Fügemoment MF erreicht wurde.
Das Fügemoment MF wird in der Bewegung durchlaufen, d.h. die Änderung des Modus von DMM nach DWM erfolgt ohne dass der Hub unterbrochen würde. Am Ende des betreffenden Hubes erreicht das Drehmoment den Wert MHFif der sich auf das Hubende 1 nach Erreichen des Fügemoments bezieht. Bei dem nächsten Rückhub geht das Drehmoment wieder auf 0 zurück und bei dem dritten Hub erfolgt zunächst ein nicht linearer Anstieg 53 bis zum Erreichen des Drehmoments MHEI und dann schließt sich ein linearer Bereich 54 an, in welchem die Schraube weiter festgezogen wird. Am Ende eines jeden Hubes wird der Wert des Drehmoments am Hubende MHEI HE2 und HE3 gespeichert, ebenso wie der zugehörige Drehwinkel OCHEIΛ αHE2/ O.HE3- Wenn bei dem nächstfolgenden Hub das Drehmoment den selben Wert erreicht hat, wie das Drehmomentende des vorhergehenden Hubes, beginnt das weitere Hochzählen des Drehwinkels α. Der Winkel αHEir der am Ende der 2. Hubes gespeichert wurde, bildet zugleich den Anfangswinkel O.A2 bei dem während des 3. Hubes das Weiterzählen im linearen Bereich 54 erfolgt. Am Ende des 3. Hubes wird der Endwert HE2 gespeichert und bei dem 4. Hub beginnt die Weiterzählung des Winkels mit dem Wert αHA3r der gleich αHE2 ist. Der Schraubvorgang wird beendet, wenn ein Zielwinkel αz erreicht ist, der beispielsweise auf 90° (nach Erreichen des Fügemoments MF) festgelegt ist. Dann wird der Kraftschrauber abgeschaltet. Die Schraube ist nun in definierter Weise festgezogen, wobei die erwünschte Spannung des Schraubbolzens erreicht ist.
Für die Drehwinkelerfassung existiert die Bedingung, dass ein Hochzählen des Drehwinkels nur dann erfolgt, wenn das gleichzeitig gemessene Moment mindestens die Höhe des Fügemoments MF hat. Damit wird sichergestellt, dass der Drehwinkel grundsätzlich erst vom Fügemoment ab erfasst wird.
Eine weitere Bedingung besteht darin, dass das Hochzählen des Drehwinkels nur dann erfolgt, wenn bei dem vorhergehenden Hub eine Hochzählung des Drehwinkels erfolgt ist und das zugehörige Drehmoment erfasst wurde. Eine Aufsummierung auf den bereits gespeicherten Drehwinkel erfolgt nur dann, wenn ein Drehmoment, welches am Ende des letzten Hubes gespeichert wurde, abzüglich eines Toleranzbereichs, z.B. 5%, erreicht wird. Das Weiterzählen erfolgt jedoch erst bei Erreichen des End-Drehmoments des letzten Hubes. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Aufsummierung des Drehwinkels nur dann erfolgt, wenn die Mutter sich dreht und nicht aus dem Stand heraus.
Entsprechendes gilt auch für das Erreichen des Fügemoments MF.Das Erreichen des Fügemoments sollte nur dann festgestellt werden, wenn der lineare Teil der Spannlinie durchlaufen wird, und zwar im Mittelbereich zwischen den Endpunkten. Sollte das Fügemoment im oberen Ende des linearen Bereichs erreicht werden, erfolgt eine Neubestimmung des Erreichens des Fügemoments. Der Übergang vom Drehmomentmodus DMM zum Drehwinkelmodus DWM muss aus der Drehbewegung heraus erfolgen, d.h. nicht am Ende eines Hubes. Dies ist erforderlich um den Nullpunkt α = 0 mit hinreichender Reproduzierbarkeit definiert zu bestimmen. Wird nach Erreichen des Fügemoments nur noch ein kleiner Winkelbereich durchlaufen, der unterhalb eines Grenzwerts von beispielsweise 2° liegt, wird das Erkennen des Fügemoments verworfen und auf den nächstfolgenden Hub verschoben. Eine solche Betriebsweise ist sowohl bei manueller Steuerung des Kraftschraubers als auch bei automatischer Steuerung möglich.
Bei einer automatischen Steuerung ist zusätzlich oder alternativ noch folgendes Kriterium möglich:
Schon vor dem Erreichen des Fügemoments wird der Differentialquotient der Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehwinkel ermittelt, also die Steigung der Geraden. Anhand des jeweils gemessenen Drehmoments und des Differentialquotienten wird vorherbestimmt, ob das Fügemoment am Hubende erreicht wird. Wird erkannt, dass das Fügemoment am Hubende erreicht wird, wird der Hub durch die Automatik vorzeitig beendet und ein neuer Hub eingeleitet, bei dem dann das Fügemoment im linearen Bereich erreicht wird.
Fig. 4 zeigt die Ermittlung des Differentialquotienten Q im linearen Bereich der Kurve MD über α. Der Differentialquotient, d.h. die Steigung errechnet sich zu
MD2 - MDι Q =
Hierin bedeutet MDι das Drehmoment, das bei einem bestimmten Drehwinkel αi nach Erreichen des Fügemoments gemessen wird, und das Drehmoment MD2 ist das Drehmoment, das bei einem höheren Drehwinkel α2 gemessen wird. Der Differentialquotient Q kann auch noch für andere Prüfungen verwendet werden, beispielsweise für die Prüfung, ob eine Schraube bereits festgezogen ist. In diesem Fall arbeitet der Kraftschrauber nämlich bei sehr hohem Drehmoment ohne dass eine Weiterdrehung erfolgt. Folglich liegt der Differentialquotient außerhalb eines Toleranzbereichs. Der Schraubvorgang wird dann abgebrochen.
Ausgewertet werden kann auch der Differentialquotient unmittelbar vor Erreichen des Zielwertes. Hier wird ein besonderer Toleranzbereich für den Differentialquotienten definiert und der Zielwert gilt nur dann als erreicht, wenn der Differentialquotient zuvor in dem besonderen Toleranzbereich festgestellt' wurde. Auf diese Weise wird vermieden, dass der Zielwinkel durch einen plötzlichen Ruck erreicht wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Zeitdauer der einzelnen Hübe zu messen, wobei der Schraubvorgang bei zu großer Zeitdauer verworfen wird. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, für einen bestimmten Schraubfall zahlreiche Dauern der einzelnen Hübe bei mehreren Schraubvorgängen zu messen und dann eine mittlere Hubdauer zu definieren, die gespeichert wird. In gleicher Weise kann auch für den Differentialquotient Q ein typischer Wert aus zahlreichen', zuvor gemessenen Werten gemit- telt oder auf andere Weise bestimmt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Verfahren zur Steuerung eines Schraubwerkzeugs, das intermittierend drehende Hübe ausführt und einen Drehmomentsensor (23) und einen Drehwinkelsensor (33) aufweist, mit den Schritten
Durchführung von Hüben unter Messung des Drehmoments (MD) in einem Drehmomentmodus (DMM) ,
bei Erreichen eines vorgegebenen Fügemoments (MF) : Übergang auf einen Drehwinkelmodus (DWM) , bei dem der Drehwinkel (α) bis zum Ende des laufenden Hubes hochgezählt wird, und Speicherung der am Hubende erreichten Werte von Drehwinkel ( HFι) und Drehmoment (MHEI) t
bei jedem nachfolgenden Hub: Fortsetzung des Hoch- zählens des Drehwinkels (α) dann, wenn das Drehmoment (MD) einen Wert erreicht, der dem Drehmoment (MHE) am Ende des vorhergehenden Hubes entspricht, und Speicherung der am Hubende erreichten Werte von Drehwinkel (O-HE) und Drehmoment (MHF) t
Beenden des Schraubvorganges, wenn der hochgezählte Drehwinkel einen Zielwinkel (αz) erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelmodus (DWM) nur dann begonnen wird, wenn das Fügemoment (MF) aus der Bewegung heraus erreicht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass nach Erreichen des Fügemoments (MF) während eines Hubes das Hochzählen unter einem vorgegebenen Grenzwert bleibt, das Erreichen des Fügemoments (MF) nicht verwertet und die Verwertung auf den nächsten Hub verschoben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass schon vor Erreichen des Fügemoments (MF) der Differentialquotient (Q) der Abhängigkeit zwischen Drehmoment (MD) und Drehwinkel (α) ermittelt und gespeichert wird und dass anhand des jeweils gemessenen Drehmoments und des Differentialquotienten (Q) vorherbestimmt wird, ob das Fügemoment MF am Hubende erreicht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialquotient (Q) der Abhängigkeit zwischen Drehmoment (MD) und Drehwinkel (α) ermittelt und gespeichert wird und dass der Schraubvorgang verworfen wird, wenn während des Hochzählens des Drehwinkels (α) eine außerhalb eines Toleranzbereichs liegende Abweichung des Differentialquotienten (Q) von dem gespeicherten Wert festgestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Winkelbereich vor Erreichen des Zielwinkels αz ein engerer besonderer Toleranzbereich definiert wird, bei dessen Überschreiten der Schraubvorgang verworfen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der einzelnen Hübe gemessen wird und der Schraubvorgang bei zu großer Zeitdauer verworfen wird.
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