EP2110205A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers - Google Patents

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EP2110205A2
EP2110205A2 EP09157357A EP09157357A EP2110205A2 EP 2110205 A2 EP2110205 A2 EP 2110205A2 EP 09157357 A EP09157357 A EP 09157357A EP 09157357 A EP09157357 A EP 09157357A EP 2110205 A2 EP2110205 A2 EP 2110205A2
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EP
European Patent Office
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pressure
time intervals
screw
pressurization
time interval
Prior art date
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EP2110205B1 (de
EP2110205A3 (de
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Jörg Hohmann
Frank Hohmann
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    • B25B21/00—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose
    • 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
    • B25B23/145—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for fluid operated wrenches or screwdrivers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25B23/1456—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for fluid operated wrenches or screwdrivers having electrical components

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a hydraulically operated power wrench with a pivotable by a piston-cylinder unit lever with a ratchet assembly for gradually turning a ratchet sleeve by Vorhübe and return strokes and a drive unit with a motor-driven pump.
  • a desired pressure which is the pressure which determines the tightening torque of the screw to be turned and at which the work is to be ended.
  • the characteristic pressure-time curve of the respective printing unit is determined in advance and stored in a calibration operation.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for controlling a hydraulically powered power wrench, which allows with less effort to perform the control of the power wrench until reaching the desired torque.
  • the invention is based on the consideration that all pressurization cycles associated with a nut or screw rotation occur over a longer time interval than the pressurization cycles that take place without nut or screw rotation when tightened to the entered desired torque the elements of the power wrench no longer move and the pressure rise and pressure drop only over a period of time that corresponds to the elasticities in the elements of the power wrench and possibly the hydraulic lines.
  • These last time intervals are significantly shorter than the preceding time intervals, so that the comparison of the time duration of these last time intervals with the preceding, longer time intervals can be used directly as a switch-off criterion, without the need for calibration and the measurement of absolute values.
  • the measured time intervals can be moved so that after determining a first short time interval two further pressurizations take place, from these three short time intervals and three longer, previously measured time intervals each an average or the sum is formed and the repeated Be pressurization cycles off when the average or the sum of the short time intervals is less than the average or the sum of the longer time intervals.
  • time intervals when unscrewing the loose nut or screw until setting are shorter than the subsequent time intervals when tightening the nut or screw and until the beginning of tightening the nut or screw no more than five pressurization cycles are required, can be checked whether a Tightening the nut or screw has taken place after setting or not, or whether it is an already tightened nut or screw by the duration of the z.
  • the above-mentioned object is also by a hydraulically operated power wrench for performing the method defined above with a pivotable by a piston-cylinder unit lever with a ratchet assembly for gradually rotating a ratchet, a drive unit with a motor-driven pump, an input electronics for entering a Desired torque or a desired preload force or the screw size, the material quality, the thread pitch and the clamping length, evaluation electronics for determining a desired pressure from the entered values, an adjustable pressure valve arranged between the piston-cylinder unit and the pump, adjustable to the target pressure, an actual pressure sensor, a time measuring device for measuring the time interval of each pressurization from the initial pressure to the target pressure or from the beginning of the pressurization to the target pressure and subsequent pressure relief until Achieving the initial pressure, the transmitter according to the invention is adapted to control the pressurization cycles taking into account the measured time intervals so that the pressurization cycles are turned off when at least the last measured time interval is shorter than at least the penultimate time interval.
  • the evaluation electronics may be configured to form mean values or the sum of three short time intervals and three longer time intervals measured immediately and to switch off the pressurization cycles if the mean value or the sum of the short time intervals is shorter than the mean value or the sum of the longer time intervals Time intervals is.
  • the transmitter can also be adapted to the time intervals when unscrewing the loose nut or screw to set, the time intervals when tightening the nut or screw until reaching the desired torque corresponding target pressure and at least one time interval after reaching the To measure desired torque corresponding target pressure without further rotation of the nut or screw and to switch off the repeated pressurization cycles, if at least the last measured time interval is shorter than the previous one.
  • a hydraulically operated power wrench 1 comprises a piston-cylinder unit 2, a pivotable lever 3, which can be acted upon by the piston-cylinder unit 2, with a ratchet arrangement 5 for the stepwise rotation of a ratchet sleeve 4.
  • a swing angle ⁇ of the lever 3 This corresponds to the full stroke of the piston-cylinder unit. Accordingly, there is a fixed, geometric relationship between the stroke H and the pivot angle ⁇ .
  • the pivoting of the pivot lever 3 for tightening a screw or nut, not shown, takes place by acting on the piston-cylinder unit 2 with pressure oil from a drive unit 6, while the return stroke of the lever 3 is effected by a return spring, not shown.
  • the return stroke takes place as an idle stroke, since the ratchet arrangement releases the rotational connection between the lever 3 and the ratchet sleeve 4 during the return stroke.
  • the return stroke of the lever 3 can also be effected by reversing loading of the piston-cylinder unit 2 with pressure oil.
  • the drive of the pumps 7, 8 is effected by a common drive motor 9, which is formed in the illustrated embodiment as an electric motor.
  • a combined switching and pressure control valve 11 is connected with the pressure side of the pumps 7, 8, a combined switching and pressure control valve 11 is connected.
  • a pressure sensor 12 is arranged in the pressure line to the power screwdriver 1.
  • the measurement of the pressure in the pressure line can also be done by a connected to the drive motor 9 current measuring device 13 or by a connected to the drive motor 9 phase angle measuring device 14.
  • An electronic control unit 16 controlling the drive unit 6 is connected to an input electronics 17, preferably an input keyboard, and has inputs for the pressure transducer 12 and / or the power consumption measuring device 13 and / or the phase angle measuring device 14.
  • An output of the electronic control unit 16 is connected to the switching and pressure control valve 11.
  • the electronic control unit 16 comprises evaluation electronics 18 for determining a desired pressure from the screw values entered into the input electronics 17, namely a desired torque or a desired preload force or the screw size, the thread pitch and the clamping length.
  • the electronic control unit 16 comprises a time measuring device 19 and a control and shutdown device 20 for switching off the movement of the piston-cylinder unit 2 when the setpoint torque is reached.
  • the desired preload force or torque is determined by the modulus of elasticity of the screw material, the allowable tensile stress, d. H. the material quality, the shank cross-section and the screw length specified and can be given for example on the screw itself or in a table.
  • the evaluation electronics 18 can also determine the desired preload force, therefrom the desired torque and, in turn, the desired pressure when the screw material, the screw quality, the screw size, the thread pitch and the clamping length are entered.
  • the motor 9 is set to drive the pumps 7, 8 in operation or is constantly running the drive motor 9, a pressure relief valve in the switch - And pressure control valve 11 is closed, so that builds up in the pressure line to the power screwdriver 1 of the pump pressure.
  • This pressure initially increases when unscrewing the loose nut or screw until it is set to the desired pressure, which it reaches at time t1. During this time, the ratchet box 4 is turned over the full forward stroke without much resistance.
  • the switching and pressure control valve 11 Immediately upon reaching the target pressure from the time t1, the switching and pressure control valve 11 is switched to pressure relief, a spring not shown causes the idle stroke of the piston-cylinder unit 2 and the hydraulic oil contained therein is via the switching and pressure control valve 11 in a Hydraulic oil tank 10 fed back, from where it is sucked by the pumps 7, 8.
  • the pressure decreases from the time t1 to the time t2 to the initial pressure and the entire time interval .DELTA.t 1 from the pre-stroke and return stroke is measured.
  • either the entire time interval ⁇ t 4 , ⁇ t 5 , ⁇ t 6 can be measured between times t 6 , t 8 , t 10 and t 12, respectively, but a useful assessment criterion is also achieved if only the time intervals between the periods t 6 , t 7 ; t 8 , t 9 , and t 10 , t 11 are measured.
  • the invention forms the averages from the time intervals ⁇ t 4 , ⁇ t 5 and ⁇ t 6 and the time intervals ⁇ t 7 , ⁇ t 8 , and ⁇ t 9 , or they become simple only summed and compared with each other, so that the operation is aborted when the average values from the time intervals .DELTA.t 7 , .DELTA.t 8 , and .DELTA.t 9 and from .DELTA.t 4 , .DELTA.t 5 and .DELTA.t 6 meet the switch-off criterion.
  • Averaging can be dispensed with if only the sums of the named time intervals are compared with one another in order to fulfill the switch-off criterion.
  • Timing may also be used to detect a failure to tighten a threaded connection. Namely, if a nut or screw can not turn from the beginning because it is already tightened or blocked for some reason, eliminates the longer time intervals .DELTA.t 4 , .DELTA.t 5 and .DELTA.t 6 , and only the time intervals .DELTA.t 1 , .DELTA.t 2 , ⁇ t 3 and three other short time intervals ⁇ t i measured, this is a sign for an already tightened nut or screw or not one proper tightening of the nut or screw.
  • the transmitter 18 can generate an error signal from this, which is displayed on a screen, not shown.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers (1) mit einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit (2) schwenkbaren Hebel (3) mit einer Ratschenanordnung (5) zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse (4) durch Vorhübe und Rückhübe und einer Antriebseinheit (6) mit einer motorisch angetriebenen Pumpe beim Anziehen einer Schraubverbindung, bei denen ein Soll-Drehmoment oder eine Soll-Vorspannkraft oder die Schraubengröße, die Materialgüte, die Gewindesteigung und die Klemmlänge in eine Eingabeelektronik (17) eingegeben werden, ein durch die Pumpe (7, 8) zu erzeugender Soll-Druck durch eine Auswerteelektronik (18) ermittelt wird, der Vorhub durch Druckbeaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit bis Erreichen des Soll-Drucks und sofortiges Umsteuern auf Rückhub bei Erreichen des Soll-Drucks durch Druckentlastung und Federdruck oder durch Ansteuern einer Druckbeaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit (2) auf Rückhub durchgeführt werden, die Zeit vom Beginn der Druckbeaufschlagung bis zum Erreichen des Soll-Drucks oder bis Erreichen des Anfangsdrucks nach einer Druckentlastung gemessen wird, die Druckbeaufschlagung und Druckentlastung und das Messen der Zeit bis zum Erreichen des Soll-Drucks oder des Anfangsdrucks wiederholt werden, die gemessen Zeitintervalle verglichen und die Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden, wenn wenigstens das letzte gemessene Zeitintervall kürzer als mindestens das vorletzte gemessene Zeitintervall ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers mit einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit schwenkbaren Hebel mit einer Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse durch Vorhübe und Rückhübe und einer Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen Pumpe.
  • In der DE 102 22 159 A1 sind ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei denen die Änderung des hydraulischen Drucks in Zeitintervallen gemessen wird und der Arbeitsvorgang dann beendet wird, wenn der Anstieg des hydraulischen Drucks bei einem Lasthub innerhalb einer vorgegebenen Zeit kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert, wobei die Druckbeaufschlagungszyklen zu abwechselnden Lasthüben und Rückhüben führen und beim Lasthub die zeitliche Änderung des hydraulischen Drucks in Zeitintervallen gemessen wird und eine Umschaltung auf den Rückhub erfolgt, wenn in mindestens einem der Zeitintervalle der Druckanstieg größer ist als in mindestens einem der vorhergehenden Intervalle des Arbeitsvorganges.
  • Um in der beschriebenen Weise zu verfahren, wird vom Anwender zunächst ein Soll-Druck eingestellt, bei dem es sich um denjenigen Druck handelt, der das Anzugsmoment der zu drehenden Schraube bestimmt und bei dem der Arbeitsvorgang beendet werden soll. Die charakteristische Druck-Zeit-Kurve des jeweiligen Druckaggregats wird in einem Kalibrierbetrieb vorab bestimmt und gespeichert. Die Steigung der Druckanstiegskurve wird dadurch bestimmt, dass der Druck in Zeitintervallen von 10ms gemessen wird. Da die Zeitintervalle sämtlich die gleiche Länge haben, wird zur Bestimmung des Differentialquotienten y=dP/dt die Druckdifferenz dP, die innerhalb eines Zeitintervalls auftritt, ausgewertet und in digitaler Form gespeichert. Wenn der Enddruck erreicht ist, bleibt der Druck konstant und der Differentialquotient dP/dt wird = 0.
  • Bei diesem Verfahren ist es nicht nur notwendig, vor dem eigentlichen Arbeitsvorgang eine Kalibrierung durchzuführen, sondern es müssen laufend Druckmessungen in Zeitintervallen von 10 ms durchgeführt werden, um den Druckanstieg zu bestimmen, der als Kriterium für das Umschalten von Vorhub auf Rückhub und das Abschalten beim Erreichen des Soll-Drucks ohne Weiterdrehen der Mutter oder Schraube dient.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers zu schaffen, das mit geringerem Aufwand erlaubt, die Steuerung des Kraftschraubers bis zum Erreichen des Soll-Drehmoments durchzuführen.
  • Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wird ein Verfahren zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers mit einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit schwenkbaren Hebel mit einer Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse durch Vorhübe und Rückhübe und eine Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen Pumpe beim Anziehen einer Schraubverbindung vorgeschlagen, das erfindungsgemäß aus folgenden Schritten besteht:
    • Eingeben eines Soll-Drehmoments oder einer Soll-Vorspannkraft oder der Schraubengröße, der Materialgüte, der Gewindesteigung und der Klemmlänge in eine Eingabeelektronik,
    • Ermitteln eines durch die Pumpe zu erzeugenden, dem Soll-Drehmoment oder der Soll-Vorspannkraft oder der Schraubengröße, der Materialgüte, der Gewindesteigung und der Klemmlänge entsprechenden Soll-Drucks durch eine Auswerteelektronik,
    • Druckbeaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit zum Durchführen des Vorhubs bis zum Erreichen des Soll-Drucks und sofortiges Umsteuern auf Rückhub bei Erreichen des Soll-Drucks durch Druckentlastung und Federdruck oder durch Ansteuern einer Druckbeaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit auf Rückhub,
    • Messen der Zeit vom Beginn der Druckbeaufschlagung bis zum Erreichen des Soll-Drucks oder bis zum Erreichen des Anfangsdrucks nach einer Druckentlastung,
    • Wiederholen der Druckbeaufschlagung und Druckentlastung und Messen der Zeit bis zum Erreichen des Soll-Drucks oder des Anfangsdrucks,
    • Vergleichen der gemessenen Zeitintervalle und Abschalten der Druckbeaufschlagungszyklen wenn wenigstens das letzte gemessene Zeitintervall kürzer als wenigstens das vorletzte gemessene Zeitintervall ist. Erfindungsgemäß werden somit stets die gesamten Zeitintervalle eines Vorhubs oder eines Vorhubs und eines Rückhubs gemessen, und es ist nicht nötig, diese Zeitintervalle in noch kürzere Zeitintervalle für eine Druckmessung zu unterteilen. Eine Druckmessung ist nicht erforderlich, da es genügt, den Soll-Druck entsprechend den Erfordernissen einzustellen, da jeder Druckbeaufschlagungszyklus bis zu diesem Soll-Druck abläuft und dann sofort der Rückhub durchgeführt wird.
  • Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass alle Druckbeaufschlagungszyklen, die mit einer Mutter- oder Schraubendrehung verbunden sind, über ein längeres Zeitintervall ablaufen als die Druckbeaufschlagungszyklen, die ohne Muttern- oder Schraubendrehung stattfinden, wenn diese auf das eingegebene Soll-Drehmoment angezogen sind, da sich die Elemente des Kraftschraubers nicht mehr bewegen und der Druckanstieg und Druckabfall nur über einen Zeitraum abläuft, der den Elastizitäten in den Elementen des Kraftschraubers und ggf. der Hydraulikleitungen entspricht. Diese letzten Zeitintervalle sind deutlich kürzer als die vorhergehenden Zeitintervalle, so dass sich der Vergleich der Zeitdauer dieser letzten Zeitintervalle mit den vorhergehenden, längeren Zeitintervallen direkt als Abschaltkriterium heranziehen lässt, ohne dass eine Kalibrierung und das Messen von Absolutwerten erforderlich sind.
  • Zum Ausgleich von kleineren Schwankungen in den gemessenen Zeitintervallen kann so verfahren werden, dass nach Feststellen eines ersten kurzen Zeitintervalls zwei weitere Druckbeaufschlagungen erfolgen, aus diesen drei kurzen Zeitintervallen und aus drei längeren, davor gemessenen Zeitintervallen jeweils ein Mittelwert oder die Summe gebildet wird und die wiederholten Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden, wenn der Mittelwert oder die Summe der kurzen Zeitintervalle kleiner als der Mittelwert oder die Summe der längeren Zeitintervalle ist.
  • Da die Zeitintervalle beim Aufschrauben der losen Mutter oder Schraube bis zum Setzen kürzer als die darauf folgenden Zeitintervalle beim Anziehen der Mutter oder Schraube sind und bis zum Beginn des Anziehens der Mutter oder Schraube nicht mehr als fünf Druckbeaufschlagungszyklen erforderlich sind, lässt sich überprüfen, ob ein Anziehen der Mutter oder Schraube nach dem Setzen stattgefunden hat oder nicht, bzw. ob es sich um eine bereits angezogene Mutter oder Schraube handelt, indem die Zeitdauer der z. B. ersten sechs Druckbeaufschlagungszyklen gemessen wird, und die Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden, wenn die Zeitdauer dieser sechs Zeitintervalle kürzer als ein vorgegebenes, einem Schraubvorgang entsprechendes Zeitintervall ist.
  • Diese Feststellung ist ein Hinweis darauf, dass die Mutter oder Schraube ohne bis zum Soll-Drehmoment angezogen zu werden blockiert ist, oder dass es sich um eine bereits auf das Soll-Drehmoment angezogene Mutter oder Schraube handelt, so dass es möglich ist, eine Fehlermeldung durch die Auswerteelektronik zu generieren, wenn die Druckbeaufschlagungszyklen unmittelbar beim Aufschrauben der losen Mutter oder Schraube abgeschaltet werden.
  • Laufen die Druckbeaufschlagungszyklen normal ab, ist dies dadurch erkennbar, dass beim Messen der Zeitintervalle beim Aufschrauben der losen Mutter oder Schraube bis zum Setzen, der Zeitintervalle beim Anziehen der Mutter oder Schraube bis zum Erreichen des dem Soll-Drehmoment entsprechenden Soll-Drucks und die Zeitintervalle nach Erreichen des dem Soll-Drehmoments entsprechenden Soll-Drucks ohne Weiterdrehen der Mutter oder Schraube festgestellt wird, dass die Zeitintervalle beim Aufschrauben der losen Mutter und die Zeitintervalle nach Erreichen dem Soll-Drehmoment entsprechenden Soll-Drucks ohne Weiterdrehen der Mutter oder Schraube kürzer als die Zeitintervalle beim Anziehen der Mutter sind, so dass dann die wiederholten Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden können, wenn wenigstens das letzte Zeitintervall kürzer als die vorhergehenden ist.
  • Die eingangs erwähnte Aufgabe wird auch durch einen hydraulisch betriebenen Kraftschrauber zur Durchführung des vorstehend definierten Verfahrens mit einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit schwenkbaren Hebel mit einer Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse, eine Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen Pumpe, einer Eingabeelektronik zum Eingeben eines Soll-Drehmoments oder einer Soll-Vorspannkraft oder der Schraubengröße, der Materialgüte, der Gewindesteigung und der Klemmlänge, einer Auswerteelektronik zum Ermitteln eines Soll-Drucks aus den eingegebenen Werten, einem zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit und der Pumpe angeordneten, einstellbaren Druckventil, das auf den Soll-Druck einstellbar ist, einem Ist-Druckaufnehmer, einer Zeitmesseinrichtung zum Messen des Zeitintervalls einer jeden Druckbeaufschlagung vom Anfangsdruck bis zum Soll-Druck oder vom Beginn der Druckbeaufschlagung bis zum Soll-Druck und anschließender Druckentlastung bis Erreichen des Anfangsdrucks, wobei die Auswerteelektronik erfindungsgemäß dazu eingerichtet ist, die Druckbeaufschlagungszyklen unter Berücksichtigung der gemessenen Zeitintervalle so zu steuern, dass die Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden, wenn wenigstens das letzte gemessene Zeitintervall kürzer als wenigstens das vorletzte Zeitintervall ist.
  • Zusätzlich kann die Auswerteelektronik dazu eingerichtet sein, jeweils aus drei kurzen Zeitintervallen und drei längeren, unmittelbar davor gemessenen Zeitintervallen Mittelwerte oder die Summe zu bilden und die Druckbeaufschlagungszyklen abzuschalten, wenn der Mittelwert oder die Summe der kurzen Zeitintervalle kürzer als der Mittelwert oder die Summe der längeren Zeitintervalle ist.
  • Es ist ferner auch möglich, die Auswerteelektronik so einzurichten, dass sie die Zeitdauer der ersten z. B. sechs Zeitintervalle der Druckbeaufschlagungszyklen misst und die Druckbeaufschlagungszyklen abschaltet, wenn die Zeitdauer dieser sechs Zeitintervalle kürzer als ein vorgegebenes, einem Schraubvorgang entsprechenden Zeitintervall ist. In diesem Fall kann durch die Auswerteelektronik eine Fehlermeldung generiert werden, wenn die Druckbeaufschlagungszyklen unmittelbar nach dem Aufschrauben der Mutter oder Schraube abgeschaltet werden.
  • Schließlich kann die Auswerteelektronik auch dazu eingerichtet sein, die Zeitintervalle beim Aufschrauben der losen Mutter oder Schraube bis zum Setzen, die Zeitintervalle beim Anziehen der Mutter oder Schraube bis zum Erreichen des dem Soll-Drehmoment entsprechenden Soll-Drucks und wenigstens ein Zeitintervall nach Erreichen des dem Soll-Drehmoment entsprechenden Soll-Drucks ohne Weiterdrehen der Mutter oder Schraube zu messen und die wiederholten Druckbeaufschlagungszyklen abzuschalten, wenn wenigstens das letzte gemessene Zeitintervall kürzer als die vorhergehenden ist.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers mit Antriebseinheit und elektronischer Steuereinheit und
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung des Druckverlaufs beim Schraubenspannen.
  • Ein hydraulisch betriebener Kraftschrauber 1 umfasst eine Kolben-Zylinder-Einheit 2, einen durch die Kolben-Zylinder-Einheit 2 beaufschlagbaren, schwenkbaren Hebel 3 mit einer Ratschenanordnung 5 zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse 4. Zwischen Anschlägen in der Kolben-Zylinder-Einheit 2 ergibt sich ein Schwenkwinkel α des Hebels 3. Dies entspricht dem vollen Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit. Dementsprechend besteht zwischen dem Hubweg H und dem Schwenkwinkel α eine feststehende, geometrische Beziehung.
  • Das Schwenken des Schwenkhebels 3 zum Spannen einer nicht dargestellten Schraube oder Mutter erfolgt durch Beaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 mit Drucköl von einer Antriebseinheit 6, während der Rückhub des Hebels 3 durch eine nicht dargestellte Rückholfeder bewirkt wird. Der Rückhub erfolgt als Leerhub, da die Ratschenanordnung beim Rückhub die Drehverbindung zwischen dem Hebel 3 und der Ratschenbüchse 4 freigibt. Statt durch eine Rückholfeder kann der Rückhub des Hebels 3 auch durch umgekehrte Beaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 mit Drucköl erfolgen.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Antriebseinheit 6 zwei parallel geschaltete Pumpen 7, 8 auf, die als Kolbenpumpen mit unterschiedlichem Fördervolumen ausgebildet sind. Der Antrieb der Pumpen 7, 8 erfolgt durch einen gemeinsamen Antriebsmotor 9, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgebildet ist. Mit der Druckseite der Pumpen 7, 8 ist ein kombiniertes Umschalt- und Drucksteuerventil 11 verbunden. Des Weiteren ist in der Druckleitung zum Kraftschrauber 1 ein Druckaufnehmer 12 angeordnet. Anstelle eines in der Druckleitung angeordneten Druckaufnehmers 12 kann die Messung des Drucks in der Druckleitung auch durch ein mit dem Antriebsmotor 9 verbundenes Stromaufnahmemessgerät 13 oder durch ein mit dem Antriebsmotor 9 verbundenes Phasenwinkelmessgerät 14 erfolgen.
  • Eine die Antriebseinheit 6 steuernde elektronische Steuereinheit 16 ist mit einer Eingabeelektronik 17, vorzugsweise einer Eingabetastatur, verbunden und weist Eingänge für den Druckaufnehmer 12 und / oder das Stromaufnahmemessgerät 13 und / oder das Phasenwinkelmessgerät 14 auf. Ein Ausgang der elektronischen Steuereinheit 16 ist mit dem Umschalt- und Drucksteuerventil 11 verbunden. Die elektronische Steuereinheit 16 umfasst eine Auswerteelektronik 18 zum Ermitteln eines Soll-Drucks aus den in die Eingabeelektronik 17 eingegebenen Schraubenwerten, nämlich einen Soll-Drehmoment oder einer Soll-Vorspannkraft oder der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge. Des Weiteren umfasst die elektronische Steuereinheit 16 eine Zeitmesseinrichtung 19 sowie eine Steuer- und Abschalteinrichtung 20 zum Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 bei Erreichen des Soll-Drehmoments.
  • Das Spannen einer Schraubverbindung mittels der in Fig. 1 dargestellten Schraubvorrichtung erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 2 in folgender Weise:
    • Zunächst werden in die Eingabeelektronik 17 das Soll-Drehmoment oder die Sollvorspannkraft oder die Schraubengröße, die Materialgüte, die Gewindesteigung und die Klemmlänge eingegeben und von dort an die Auswerteelektronik 18 in der elektronischen Steuereinheit 16 geleitet. Die Auswerteelektronik 18 ermittelt aus diesen eingegebenen Verschraubungsdaten einen Soll-Druck, da der Soll-Druck in einem direkt proportionalen Verhältnis zum Soll-Drehmoment und zur Soll-Vorspannkraft steht.
  • Die Soll-Vorspannkraft bzw. der Soll-Drehmoment ist durch den Elastizitätsmodul des Schraubenmaterials, die zulässige Zugspannung, d. h. die Materialgüte, den Schaftquerschnitt und die Schraubenlänge vorgegeben und kann beispielsweise auf der Schraube selbst oder in einer Tabelle angegeben sein. Die Auswerteelektronik 18 kann jedoch auch die Soll-Vorspannkraft, daraus das Soll-Drehmoment und daraus wiederum den Soll-Druck ermitteln, wenn das Schraubenmaterial, die Schraubengüte, die Schraubengröße, die Gewindesteigung und die Klemmlänge eingegeben werden.
  • Wenn der Soll-Druck ermittelt ist, der ggf. zusammen mit den eingegebenen Schraubendaten auf einem nicht dargestellten Bildschirm angezeigt sein kann, wird der Motor 9 zum Antreiben der Pumpen 7, 8 in Betrieb gesetzt oder wird bei ständig laufendem Antriebsmotor 9 ein Druckentlastungsventil im Umschalt- und Drucksteuerventil 11 geschlossen, so dass sich in der Druckleitung zum Kraftschrauber 1 der Pumpendruck aufbaut. Dieser Druck steigt anfänglich beim Aufschrauben der losen Mutter oder Schraube bis zum Setzen bis zum Soll-Druck an, den er zum Zeitpunkt t1 erreicht. Während dieser Zeit wird die Ratschenbüchse 4 ohne auf großen Widerstand zu stoßen, über den vollen Vorhub gedreht. Sofort bei Erreichen des Soll-Drucks vom Zeitpunkt t1 wird das Umschalt- und Drucksteuerventil 11 auf Druckentlastung umgeschaltet, eine nicht dargestellte Feder bewirkt den Leerhub der Kolben-Zylinder-Einheit 2 und das darin enthaltene Hydrauliköl wird über das Umschalt- und Drucksteuerventil 11 in einen Hydraulikölbehälter 10 zurückbefördert, von wo es von den Pumpen 7, 8 angesaugt wird. Während des Rückhubes sinkt der Druck vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 auf den Anfangsdruck und das gesamte Zeitintervall Δt1 aus Vorhub und Rückhub wird gemessen.
  • Alternativ ist es möglich, nur das Zeitintervall bis zum Zeitpunkt t1 zu messen, da diese Zeitdauer allein schon ausreicht, um als nachstehend erläutertes Beurteilungskriterium für das Abschalten der Druckbeaufschlagungszyklen zu dienen.
  • Nachdem die lose Mutter oder Schraube während mehrerer, im dargestellten Beispiel drei, Druckbeaufschlagungszyklen bis zum Setzen angezogen ist, erfolgt das weitere Anziehen der Mutter oder Schraube schrittweise, wobei wiederum die Zeitintervalle Δt4, Δt5, Δt6 gemessen werden. Das schrittweise Anziehen der Mutter oder Schraube bis Erreichen des Soll-Drucks erfolgt, wie dargestellt, in Zeitintervallen, die länger als die vorhergehenden sind, da das Anziehen der Mutter oder Schraube eine erhebliche Kraft erfordert und der Druckaufbau bis zum Erreichen des Soll-Drucks daher langsamer ist.
  • Auch während dieser Druckbeaufschlagungszyklen kann entweder das gesamte Zeitintervall Δt4, Δt5, Δt6 jeweils zwischen den Zeitpunkten t6, t8, t10 und t12 gemessen werden, jedoch wird ein brauchbares Beurteilungskriterium auch erreicht, wenn nur die Zeitintervalle zwischen den Zeiträumen t6, t7; t8, t9, und t10, t11 gemessen werden.
  • Nachdem die Mutter oder Schraube bis zum geforderten Soll-Drehmoment, d. h. bis zum Soll-Druck angezogen ist und sich nicht mehr weiterdreht, wenn eine weitere Druckbeaufschlagung ab dem Zeitpunkt t12 erfolgt, erfolgen der Druckanstieg vom Anfangsdruck auf den Solldruck und der Druckabfall zurück auf den Anfangsdruck wiederum sehr schnell, da sich die Elemente des Kraftschraubers 1 nur noch äußerst geringfügig aufgrund der Elastizitäten der Bauelemente und Schlauchverbindungen bewegen, so dass die gemessenen Zeitintervalle Δt7, Δt8, und Δt9 stets kürzer als die vorhergehenden Zeitintervalle sind.
  • Da in Fig. 2 der Normalfall des einwandfreien Anziehens einer Schraubverbindung dargestellt ist, genügt es im Prinzip, nur die Zeitintervalle Δt6 und Δt7, zu vergleichen und den Schraubvorgang zu beenden, wenn das Zeitintervall Δt7 kürzer als das Zeitintervall Δt6 ist.
  • Um jedoch die Messung zu verfeinern und Unregelmäßigkeiten beim Druckanstieg zu eliminieren, werden mit einer Weiterbildung der Erfindung aus den Zeitintervallen Δt4, Δt5 und Δt6 sowie den Zeitintervallen Δt7, Δt8, und Δt9 die Mittelwerte gebildet, oder sie werden einfach nur aufsummiert und miteinander verglichen, so dass der Arbeitsvorgang abgebrochen wird, wenn die Mittelwerte aus den Zeitintervallen Δt7, Δt8, und Δt9 sowie aus Δt4, Δt5 und Δt6 das Abschaltkriterium erfüllen. Auf die Mittelwertbildung lässt sich verzichten, wenn nur die Summen der genannten Zeitintervalle miteinander verglichen werden, um das Abschaltkriterium zu erfüllen.
  • Die Zeitmessung kann auch dazu dienen, einen Fehler beim Anziehen einer Schraubverbindung festzustellen. Wenn sich nämlich eine Mutter oder Schraube von Anfang an nicht drehen lässt, weil sie bereits angezogen ist oder aus irgendwelchen Gründen blockiert ist, entfallen die längeren Zeitintervalle Δt4, Δt5 und Δt6, und es werden nur die Zeitintervalle Δt1, Δt2, Δt3 sowie drei weitere, kurze Zeitintervalle Δti gemessen, so ist dies ein Zeichen für eine bereits angezogene Mutter oder Schraube oder für ein nicht ordnungsgemäßes Anziehen der Mutter oder Schraube. Die Auswerteelektronik 18 kann daraus ein Fehlersignal generieren, das auf einem nicht dargestellten Bildschirm angezeigt wird.
  • Es ergibt sich somit, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung mit einer einfachen Zeitmessung auskommt, um den Kraftschrauber 1 zum Anziehen einer Schraubenverbindung bis zum Erreichen eines vorgegebenen Soll-Drehmoments zu steuern, ohne dass es eines Eingriffs der Bedienungsperson bedarf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung ist es somit möglich, das Anziehen einer Schraubverbindung ferngesteuert zu bewirken und auch mehrere Schraubverbindungen gleichzeitig mittels eines elektronischen Steuergerätes 16 anzusteuern.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers mit einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit schwenkbaren Hebel, mit einer Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse durch Vorhübe und Rückhübe und einer Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen Pumpe beim Anziehen einer Schraubverbindung mit den Schritten:
    - Eingeben eines Soll-Drehmoments oder einer Soll-Vorspannkraft oder der Schraubengröße, der Materialgüte, der Gewindesteigung und der Klemmlänge in eine Eingabeelektronik,
    - Ermitteln eines durch die Pumpe zu erzeugenden, dem Soll-Drehmoment oder der Soll-Vorspannkraft oder der Schraubengröße, der Materialgüte, der Gewindesteigung und der Klemmlänge entsprechenden Soll-Drucks durch eine Auswerteelektronik,
    - Druckbeaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit zum Durchführen des Vorhubs bis Erreichen des Soll-Drucks und sofortiges Umsteuern auf Rückhub bei Erreichen des Soll-Drucks durch Druckentlastung und Federdruck oder durch Ansteuern einer Druckbeaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit auf Rückhub,
    - Messen der Zeit vom Beginn der Druckbeaufschlagung bis zum Erreichen des Soll-Drucks oder bis Erreichen des Anfangsdrucks nach einer Druckentlastung,
    - Wiederholen der Druckbeaufschlagung und Druckentlastung und Messen der Zeit bis zum Erreichen des Soll-Drucks oder des Anfangsdrucks,
    - Vergleichen der gemessenen Zeitintervalle und Abschalten der Druckbeaufschlagungszyklen, wenn wenigstens das letzte gemessene Zeitintervall kürzer als wenigstens das vorletzte gemessene Zeitintervall ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach Feststellen eines ersten kurzen Zeitintervalls zwei weitere Druckbeaufschlagungen erfolgen, aus diesen drei kurzen Zeitintervallen und aus drei längeren, davor gemessenen Zeitintervallen jeweils ein Mittelwert gebildet wird oder diese aufsummiert werden und die wiederholten Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden, wenn der Mittelwert der kurzen Zeitintervalle oder deren Summe kleiner als der Mittelwert oder die Summe der längeren Zeitintervalle ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zeitdauer der ersten vorzugsweise sechs Druckbeaufschlagungszyklen gemessen wird und die Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden, wenn die Zeitdauer dieser sechs Zeitintervalle kürzer als ein vorgegebenes, einem Schraubvorgang entsprechendes Zeitintervall ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine Fehlermeldung durch die Auswerteelektronik generiert wird, wenn die Druckbeaufschlagungszyklen unmittelbar beim Aufschrauben der losen Mutter oder Schraube abgeschaltet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Zeitintervalle beim Aufschrauben der losen Mutter oder Schraube bis zum Setzen, die Zeitintervalle beim Anziehen der Mutter oder Schraube bis zum Erreichen des dem Soll-Drehmoment entsprechenden Soll-Drucks und wenigstens ein Zeitintervall nach Erreichen des dem Soll-Drehmoments entsprechenden Soll-Drucks ohne Weiterdrehen der Mutter oder Schraube gemessen werden und die wiederholten Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden, wenn wenigstens das letzte Zeitintervall kürzer als die vorhergehenden ist.
  6. Hydraulisch betriebener Kraftschrauber (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 - 5, mit
    - einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit (2) schwenkbaren Hebel (3) mit einer Ratschenanordnung (5) zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse (4),
    - einer Antriebseinheit (6) mit einer motorisch angetriebenen Pumpe (7, 8),
    - einer Eingabeelektronik (17) zum Eingeben eines Soll-Drehmoments oder einer Soll-Vorspannkraft oder der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge,
    - einer Auswerteelektronik (18) zum Ermitteln eines Soll-Drucks aus den eingegebenen Werten,
    - einem zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit (1) und der Pumpe (7, 8) angeordnet, einstellbaren Druckventil (11), das auf den Soll-Druck einstellbar ist,
    - einem Ist-Druckaufnehmer(12, 13, 14,),
    - einer Zeitmesseinrichtung (19) zum Messen des Zeitintervalls (Δti) einer jeden Druckbeaufschlagung vom Anfangsdruck bis zum Solldruck oder vom Beginn der Druckbeaufschlagung bis zum Soll-Druck und anschließender Druckentlastung bis Erreichen des Anfangsdrucks,
    - wobei die Auswerteelektronik (18) dazu eingerichtet ist, die Druckbeaufschlagungszyklen unter Berücksichtigung der gemessenen Zeitintervalle (Δti) so zu steuern, dass die Druckbeaufschlagungszyklen abgeschaltet werden, wenn wenigstens das letzte gemessene Zeitintervall kürzer als wenigstens das vorletzte Zeitintervall ist.
  7. Hydraulisch betriebener Kraftschrauber (1) nach Anspruch 6, bei dem die Auswerteelektronik (18) dazu eingerichtet ist, jeweils aus drei kurzen Zeitintervallen (Δt7, Δt8, Δt9) und drei längeren, unmittelbar davor gemessenen Zeitintervallen (Δt4, Δt5, Δt6) Mittelwerte zu bilden oder sie aufzusummieren und die Druckbeaufschlagungszyklen abzuschalten, wenn der Mittelwert oder die Summe der kurzen Zeitintervalle (Δt7, Δt8, Δt9) kürzer als der Mittelwert oder die Summe der längeren Zeitintervalle (Δt4, Δt5, Δt6) ist.
  8. Hydraulisch betriebener Kraftschrauber (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Auswerteelektronik (18) dazu eingerichtet ist, die Zeitdauer der ersten vorzugsweise sechs Druckbeaufschlagungszyklen zu messen und die Druckbeaufschlagungszyklen abzuschalten, wenn die Zeitdauer dieser sechs Zeitintervalle kürzer als ein vorgegebenes, einem Schraubvorgang entsprechenden Zeitintervall ist.
  9. Hydraulisch betriebener Kraftschrauber (1), bei dem die Auswerteelektronik (18) dazu eingerichtet ist, eine Fehlermeldung zu generieren, wenn die Druckbeaufschlagungszyklen unmittelbar beim Aufschrauben der Mutter oder Schraube abgeschaltet werden.
  10. Hydraulisch betriebener Kraftschrauber (1) nach Anspruch 8, beim dem die Auswerteelektronik (18) dazu eingerichtet ist, die Zeitintervalle (Δt1, Δt2, Δt3...) beim Aufschrauben der losen Mutter oder Schraube bis zum Setzen, die Zeitintervalle (Δt4, Δt5, Δt6...) beim Anziehen der Mutter oder Schraube bis zum Erreichen des dem Soll-Drehmoment entsprechenden Soll-Drucks und wenigstens ein Zeitintervall (Δt7) nach Erreichen des dem Solldrehmoment entsprechenden Soll-Druck ohne Weiterdrehen der Mutter oder der Schraube zu messen und die wiederholten Druckbeaufschlagungszyklen abzuschalten, wenn wenigstens das letzte gemessene Zeitintervall (Δt7) kürzer als die vorhergehenden Zeitintervalle (Δt1... Δt6...) ist.
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