EP2149431A1

EP2149431A1 - Schraubgerät mit Drehmomentbegrenzung

Info

Publication number: EP2149431A1
Application number: EP08013722A
Authority: EP
Inventors: Alexander Kipfelsberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schraubgerät (1) mit Drehmomentbegrenzung mit einem steuerbaren Drehantrieb mit einem Elektromotor und mit einem Drehmoment-Sollwertgeber. Für den Drehmoment-Sollwertgeber sind an einer Eingabe-Einheit (4) Einstell-Stufen zugeordnete Drehmoment-Sollwerts einstellbar, so dass bei einem Schraubvorgang nach Erreichen eines eingestellten Drehmoment-Sollwerts als vorgewähltem Anziehmoment der Drehantrieb abschaltet. Erfindungsgemäß ist die Drehmomentbegrenzung so ausgelegt, dass zumindest zwei Drehmoment-Differenzwerte zwischen jeweils aufeinander folgenden Einstellstufen zugeordneten Drehmoment-Sollwerten verschieden sind, so dass sich zumindest teilweise eine nicht lineare Kennlinie für die Einstellstufen bezüglich der zugeordneten Drehmoment-Sollwerte ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schraubgerät mit Drehmomentbegrenzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein allgemein bekanntes Schraubgerät mit Drehmomentbegrenzung enthält einen steuerbaren Drehantrieb mit einem Elektromotor und einen diesem zugeordneten Drehmoment-Sollwertgeber mit einer Eingabe-Einheit, insbesondere als Potentiometer-Drehknopf. Die Leistungsaufnahme des Elektromotors während eines Schraubvorgangs entspricht linear proportional dem aktuellen Anziehdrehmoment des Schraubgeräts, insbesondere bei Verwendung eines sogenannten Universalmotors als Kollektormotor mit Bürsten und einem Anker sowie mindestens einem Feld. Zur Drehmomentbegrenzung wird mit dem Drehmoment-Sollwertgeber eine bestimmte Leistungsaufnahme entsprechend einem Anziehdrehmoment vorgegeben. Nachdem dieser Drehmoment-Sollwert erreicht ist, wird der Elektromotor und damit der Drehantrieb automatisch abgeschaltet.
In einer konkreten Ausführung eines solchen Schraubgeräts ( DE-AS 23 26 027 ) wird die Leistungsaufnahme des Elektromotors und damit ein Lastmoment durch Messung des Spannungsabfalls an einem Lastwiderstand im Strompfad des Elektromotors erfasst und zur Drehmomentbegrenzung mit einer mit einem Drehmoment-Sollwertgeber einstellbaren Bezugsspannung verglichen.
In einer weiter bekannten Ausführungsform eines solchen Schraubgeräts ( DE 35 00 714 C2 ) wird in einer Phasenanschnitt-Steuerung die Drehmomentbegrenzung in Verbindung mit einer Stillstandserkennung realisiert, wobei als Drehmoment-Sollwerte und damit als Anziehdrehmomente unterschiedliche einstellbare Motorbetriebsspannungen vorgegeben werden.
Zudem sind Drehstellungserfassungen durch einen Hall-Sensor am Motor oder durch optische Abtastung eines Zahnscheibenrings an einem Wellenteil bekannt, womit ein Drehwinkel-Nachlaufweg erfassbar ist. Damit ist ein kombinierter Anziehvorgang der Verschraubung möglich dergestalt, dass nach einem bestimmten eingestellten und ermittelten Vordrehmoment der Drehantrieb nach anschließender Ausführung eines bestimmten eingestellten Drehwinkel-Nachlaufwegs abschaltet.
Die Drehmoment-Sollwerte können bei solchen Kraftschraubern an der Eingabe-Einheit in aufeinanderfolgenden Einstellstufen angewählt und vorgegeben werden, wobei als Eingabe-Einheit dazu ein Drehknopf eines linearen Potentiometers verwendet ist. Die Einstellstufen sind an einer Ringskala um den Drehknopf mit zehn gleichen Skalenabständen und zugeordneten Zahlen 1 bis 10 vorgegeben. Durch die Potentiometerfunktion ergibt sich bezogen auf die Einstellstufen 1 bis 10 eine lineare Kennlinie bezüglich der zugeordneten Drehmoment-Sollwerte (siehe Fig. 3 zum Stand der Technik), wodurch sich für einen konkreten Kraftschrauber an den einzelnen Einstellstufen ungerade und für einen Werker vor Ort kompliziert abzulesende zugeordnete Drehmoment-Sollwerte ergeben. Diese sind in einer Drehmoment-Tabelle regelmäßig als Aufkleber an einem konkreten Kraftschrauber angebracht. Als Beispiel wird folgende Drehmoment-Tabelle angegeben:

Einstellstufe Drehmoment-Sollwerte (Nm)

1 594

2 933

3 1.273

4 1.590

5 1.925

6 2.262

7 2.578

8 2.924

9 3.259

10 3.565
Zwischenwerte zu diesen den Einstellstufen zugeordneten und ohnehin ungeraden Drehmoment-Sollwerten müssen von einem Werker vor Ort durch interpolierte Zwischenstellungen des Drehknopfzeigers zwischen markierten Einstellstufen eingestellt werden. Gegebenenfalls können die Einstellstufen über Taster digital angewählt werden, wobei Zwischenstellungen ebenfalls über Taster sukzessive anzuwählen sind.
Durch die erforderliche Interpolation für Zwischenwerte zwischen den Einstellstufen sind hier bei der Einstellung Ungenauigkeiten in großen Toleranzbereichen praktisch nicht zu vermeiden, wobei zudem die Bedienung durch einen Werker ersichtlich schwierig und kompliziert ist. Da für viele Schraubvorgänge bereits eine Dokumentation für die exakte Ausführung, insbesondere bezüglich genau eingehaltener Anzugsdrehmomente gefordert wird, finden die vorstehenden Ungenauigkeiten und Toleranzen zwangsläufig auch dann in der Dokumentation ihre Entsprechung, so dass dadurch Probleme zwischen der Montagefirma und dem Auftraggeber bei der Bewertung einer Schraubausführung entstehen können.
Ein besonderer Verwendungsbereich für solche Kraftschrauber ist der Stahlbau, für den mit der DIN 18 800-7 genaue Vorgaben für die Anziehdrehmomente bei bestimmten Schraubvorgängen vorliegen, welche genau einzuhalten sind. Die Abstufungen der Anziehdrehmomente für die Schraubverbindungen (zum Beispiel M20 bis M36) sind nicht linear, so dass für einen Werker jeweils Zwischeneinstellungen zwischen den bekannten Einstellstufen eines Kraftschraubers mit der vorstehend genannten Problematik einzustellen sind. Damit sind bei einer erforderlichen Dokumentation die genauen nach DIN 18 800-7 vorgeschriebenen Drehmomentwerte nur in einem Toleranzfenster und regelmäßig nicht exakt zu erhalten. Dies ist bei Betrachtung einer solchen Dokumentation unbefriedigend und kann bei größeren Toleranzabweichungen zu Bewertungsunterschieden führen, ob eine Verschraubung tatsächlich ordnungsgemäß durchgeführt worden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schraubgerät mit Drehmomentbegrenzung so weiterzubilden, dass die vorstehend geschilderten Nachteile behoben werden. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 ist die Drehmomentbegrenzungseinheit so ausgelegt, dass zumindest zwei Drehmoment-Differenzwerte zwischen jeweils aufeinanderfolgenden Einstellstufen zugeordneten Drehmoment-Sollwerten verschieden sind, so dass sich zumindest teilweise eine nicht lineare Kennlinie für die Einstellstufen bezüglich zugeordneter vorbestimmter Drehmoment-Sollwerte ergibt.
Damit kann ein Werker in Verbindung mit den einfach und genau anwählbaren Einstellstufen vorbestimmte, wiederholt vorkommende Drehmoment-Sollwerte einer nicht linearen Kennlinie bequem und einfach sowie genau und exakt dokumentierbar anwählen und vorgegeben. Probleme hinsichtlich einer toleranzbehafteten Einstellung und entsprechender Dokumentation treten damit nicht mehr auf.
Die Eingabe-Einheit für einen Werker kann dabei in an sich bekannter Weise aus einem Drehknopf mit einer zugeordneten abgestuften Ringskala für eine analoge Einstellung bestehen oder gegebenenfalls digital mit Tastern und zugeordneten Leuchtioden und/oder einem Digitaldisplay aufgebaut sein.
Ein besonders bevorzugter Einsatzbereich eines erfindungsgemäßen Schraubgeräts ist der Stahlbau, insbesondere der Stahlhochbau, wo vorgespannte hochfeste Schraubverbindungen mit einen Anteil von etwa 90% verwendet werden, die nach den Vorschriften der DIN 18 800-7 auszuführen sind. In Anspruch 2 sind die genormten Schraubverbindungen M20 bis M36 in sechs Stufen mit den verbindlich zugeordneten Anziehdrehmomenten für das "Drehmomentverfahren" angegeben (die in der DIN 18 800-7 weiter enthaltenen Schraubverbindungen M12 und M16 erfordern nur relativ geringe Anziehdrehmomente, die regelmäßig von Hand durchgeführt werden und für die das erfindungsgemäße Schraubgerät als Kraftschrauber mit seinem hohen Leistungspotenzial praktisch nicht verwendet wird). Beim "Drehmomentverfahren" wird der Schraubvorgang in einem Arbeitsgang durchgeführt, bis das eingestellte Anziehdrehmoment erreicht ist und der Drehantrieb abgeschaltet wird.
Ersichtlich sind die Drehmoment-Differenzwerte beispielsweise zwischen der zweiten Einstellstufe entsprechend M22 und der dritten Einstellstufe entsprechend M24 mit einer Differenz von 150 Nm wesentlich kleiner als die Drehmomentdifferenzwerte zwischen der dritten Einstellstufe entsprechend M24 und der vierten Einstellstufe entsprechend M27 mit einer Differenz von 450 Nm, wodurch sich eine erhebliche Nichtlinearität der zugeordneten Kennlinie ergibt, welche die bisherigen Einstell- und Dokumentationsprobleme bei einer linearen Kennlinie nach dem Stand der Technik bedingt.
Weiter und alternativ zum vorstehenden "Drehmomentverfahren" ist in der DIN 18 800-7 ein "kombiniertes Verfahren" normiert, bei dem der Schraubvorgang bis zu einem eingestellten Voranziehmoment drehmomentabhängig durchgeführt wird und anschließend der Drehantrieb noch um einen vorgegebenen Weiterdrehwinkel weiter gedreht wird. Das erfindungsgemäße Schraubgerät ist auch für dieses kombinierte Verfahren einsetzbar, wobei dann nach Anspruch 3 den sechs Einstellstufen die entsprechenden Voranziehdrehmomente zugeordnet werden und zugehörige eingestellte Weiterdrehwinkel bis zum Abschalten des Drehantriebs über einen Drehwinkelsensor erfasst werden. Als Drehwinkelsensor kann in an sich bekannter Weise ein Hall-Sensor am Elektromotor oder ein optisch abtastbarer Zahnscheibenring an einem Wellenteil verwendet werden.
Das Schraubgerät nach Anspruch 4 kann so ausgelegt sein, dass die Anziehmomente sowohl für das "Drehmomentverfahren" als auch für das "kombinierte Verfahren" fest vorgegeben sind und vorzugsweise mit einem unterscheidenden Zusatz von einem Werker einfach anwählbar sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 5 ist das Schraubgerät ein Winkelschrauber mit einem Winkelgetriebe, welches im Vergleich mit der üblichen langgestreckten Ausführung mit axial ausgerichtetem Drehantrieb und Getriebe wesentlich niedriger baut. Da im Stahlbau, insbesondere im Stahlhochbau an den Schrauborten häufig beengte Verhältnisse vorliegen, ist ein solcher Winkelschrauber in Verbindung mit den vorstehenden normierten Drehmomenteinstellungen ein besonders gut geeignetes auf den speziellen Anwendungsfall zugeschnittenes Schraubgerät.
Der mit Anspruch 6 vorgeschlagene Synchronmotor im Drehantrieb ist für die erfindungsgemäße Maßnahme zur Realisierung einer nichtlinearen Kennlinie besonders gut geeignet.
Nach Anspruch 7 kann als Option an das Schraubgerät ein an sich bekanntes Dokumentationssystem angeschlossen werden, welches aus vom Schraubgerät übermittelten Schraubdaten zeitgleich oder mit gespeicherten Daten zeitversetzt zum Schraubvorgang eine Auswertung und Dokumentation vornimmt.
Grundsätzlich ist es nach Anspruch 9 bei entsprechender Auslegung der Eingabe-Einheit, beispielsweise als Potentiometer-Drehknopf möglich, Drehmoment-Zwischensollwerte zwischen den den Einstellstufen fest zugeordneten Drehmoment-Sollwerten anzuwählen.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1: eine nicht lineare Drehmomentkennlinie für Drehmoment-Sollwerte, welche sechs Einstellstufen zugeordnet sind;
Fig. 2: eine Darstellung eines Winkelschraubers und
Fig. 3: eine lineare Kennlinie über zehn Einstellstufen nach dem Stand der Technik.

In Fig. 3 ist eine konkrete Drehmomentkennlinie nach dem Stand der Technik mit zehn Einstellstufen dargestellt, bei der die Drehmoment-Differenzwerte zwischen jeweils zwei Einstellstufen gemäß konkretem Messprotokoll alle etwa bei 340 Nm liegen, so dass sich der im Stand der Technik übliche (nahezu) lineare Kennlinienverlauf ergibt. Die Werte in den beiden unteren Zeilen sind in einer Drehmomenttabelle auf dem zugehörigen Kraftschrauber als Aufkleber angegeben. Eine Schraubverbindung M30 ist nach DIN 18 800-7 im "Drehmomentverfahren" mit einem Anziehdrehmoment von 1.650 Nm durchzuführen. Von einem Werker ist somit bei der vorliegenden Abstufung nach dem Stand der Technik die vierte Stufe anzuwählen mit einem zugeordneten Anziehmoment von 1.590 Nm, welches dann auf den gewünschten Wert 1.650 Nm zu korrigieren ist, indem auf der Kennlinie der Einstellwert mit einem Potentiometer-Drehknopf nach oben verfahren wird. Eine solche Einstellungskorrektur ist in jedem Fall für einen Werker vor Ort aufwendig und eine mögliche Fehlerquelle. Ebenso führt eine ungenaue Einstellung zu einer entsprechend ungenauen Drehmomentabschaltung des Schraubgeräts mit entsprechend toleranzbehafteter unbefriedigender Dokumentation. Entsprechende Einstellwerte sin für 800 Nm und 2.800 Nm für M24 und M36 angegeben.
In Fig. 1 ist dagegen die Drehmomentkennlinie mit sechs Einstellstufen für einen erfindungsgemäßen Kraftschrauber mit einem bevorzugten Einsatz im Stahlbau dargestellt, der auf die Erfordernisse der DIN 18 800-7 abgestellt und ausgelegt ist:
Den sechs Einstellstufen sind nacheinander die normierten Verschraubungen M20, M22, M24, M27, M30 und M36 zugeordnet, denen wiederum die normierten Anziehdrehmomente 450 Nm, 650 Nm, 800 Nm, 1.250 Nm, 1.650 Nm und 2.800 Nm entsprechen. Diese Angaben werden zweckmäßig in einer entsprechenden Drehmomenttabelle als Aufkleber am Kraftschrauber angebracht. An der Eingabe-Einheit können somit für einen Werker einfach ersichtlich die einzelnen Einstellstufen jeweils mit der zugeordneten normierten Verschraubung aufgerufen und angewählt werden oder es sind unmittelbar für den Anwählvorgang die Verschraubungsmaße M20 bis M36 angegeben und anwählbar. Damit ist eine bequeme Handhabung ohne Eingabefehler am Verschraubungsort gewährleistet und der Kraftschrauber schaltet exakt bei den in DIN 18 800-7 vorgegebenen Anziehdrehmomenten entsprechend der Zuordnung zu den Einstellstufen ab, so dass auch eine entsprechend genaue Dokumentation erhalten wird.
In Fig. 2 ist ein Schraubgerät als Kraftschrauber 1 in der Ausführung als Winkelschrauber dargestellt, bei dem in einem ersten Gehäuseteil 2 ein Drehantrieb und eine Drehmomentbegrenzungseinheit zusammen mit einem Drehmomentsensor und einem Drehwinkelsensor enthalten sind. Die dazu erforderliche Elektronik ist in einem unteren Gehäuseteil als Elektronikbox 3 aufgenommen. An oberen zylindrischen Gehäuseteil ist rückseitig die Eingabe-Einheit 4 angebracht zusammen mit Tastern für eine digitale Einstellstufenanwahl und einem Digital-Display. Darunter schließt sich am Gehäuse 2 ein Handgriff 5 mit einem Ein-Ausschalter 6 an. Der Kraftschrauberaufbau ist mittels eines Winkelgetriebes 7 für einen insgesamt niedrigen Aufbau um 90° abgewinkelt, wobei abtriebsseitig ein Aufnahmeteil 8 für einen Schraubenkopf lösbar angebracht ist. Weiter ist die an Kraftschraubern erforderliche Drehmomentstütze 9 getriebeseitig angebracht.
Ein so ausgebildeter Kraftschrauber 1 ist wegen seiner niedrigen Bauhöhe in Verbindung mit der Eingabeauslegung nach Fig. 1 den Belangen des Stahlbaus genau angepasst und für den dortigen Einsatz bestens geeignet.

Claims

Schraubgerät mit Drehmomentbegrenzung
- mit einem steuerbaren Drehantrieb mit einem Elektromotor und einem diesem zugeordneten Drehoment-Sollwertgeber, mit dem eine bestimmte erfasste Leistungsaufnahme des Elektromotors entsprechend einem zugeordneten Drehmoment des Schraubgeräts als Drehmoment-Sollwert einstellbar ist,

- wobei der Drehmoment-Sollwertgeber an einer Eingabe-Einheit (4) in wenigstens drei aufeinanderfolgenden Einstell-Stufen zur Auswahl eines jeder Einstell-Stufe zugeordneten und von Einstellstufe zu Einstellstufe steigenden Drehmoment-Sollwerts einstellbar ist, so dass bei einem Schraubvorgang nach Erreichen eines eingestellten Drehmoment-Sollwerts als vorgewähltem Anziehmoment der Drehantrieb abschaltet,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentbegrenzung so ausgelegt ist, dass zumindest zwei Drehmoment-Differenzwerte zwischen jeweils aufeinander folgenden Einstellstufen zugeordneten Drehmoment-Sollwerten verschieden sind, so dass sich zumindest teilweise eine nicht lineare Kennlinie für die Einstellstufen bezüglich zugeordneter vorbestimmter Drehmoment-Sollwerte ergibt.
Schraubgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in aufeinander folgenden, von einer Bedienperson einstellbaren Einstellstufen, vorzugsweise in sechs aufeinander folgenden Einstellstufen jeweils die Drehmoment-Sollwerte entsprechend den Anziehdrehmomenten nach DIN 18 800-7 für das "Drehmomentverfahren" vorgegeben sind: Einstellstufe Schraubverbindung Anziehdrehmoment 1 M20 450 Nm 2 M22 650 Nm 3 M24 800 Nm 4 M27 1.250 Nm 5 M30 1.650 Nm 6 M36 2.800 Nm
Schraubgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in aufeinanderfolgenden Einstellstufen, vorzugsweise in sechs aufeinanderfolgenden Einstellstufen jeweils die Drehmoment-Sollwerte entsprechend den Voranziehmomenten nach DIN 18 800-7 für das "kombinierte Verfahren" zugeordnet sind, Einstellstufe Schraubverbindung Anziehdrehmoment 1 M20 340 Nm 2 M22 490 Nm 3 M24 600 Nm 4 M27 940 Nm 5 M30 1.240 Nm 6 M36 2.100 Nm

und,
- dass anschließend an die Voranziehmoment-Steuerung der Drehantrieb um einen Weiterdrehwinkel für die Verschraubung von 45° bis 90° gemäß DIN 18 800-7 über einen Drehwinkelsensor gesteuert weitergedreht wird.
Schraubgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellstufen für das "kombinierte Verfahren" mit den zugeordneten Voranziehmomenten als zusätzliche Einstellstufen zu den Einstellstufen für das "Drehmomentsteuerverfahren" eingerichtet sind.
Schraubgerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubwerkzeug ein Winkelschrauber (1) mit Winkelgetriebe (7) ist.
Schraubgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Drehantrieb ein steuerbarer Synchronmotor verwendet ist.
Schraubgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an das Schraubgerät ein an sich bekanntes Dokumentations-System für eine Dokumentation eines Schraubvorgangs anschließbar ist.
Schraubgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Drehmoment-Zwischensollwerte zwischen den den Einstell-Stufen fest zugeordneten Drehmoment-Sollwerten mittels der Eingabe-Einheit anwählbar sind.