EP3501742A1 - Setzverfahren für spreizanker mittels schlagschrauber - Google Patents

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Publication number
EP3501742A1
EP3501742A1 EP17208782.7A EP17208782A EP3501742A1 EP 3501742 A1 EP3501742 A1 EP 3501742A1 EP 17208782 A EP17208782 A EP 17208782A EP 3501742 A1 EP3501742 A1 EP 3501742A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phase
expansion anchor
torque
rotational
screw
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17208782.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Dieter Gaul
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
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Priority to EP18808048.5A priority patent/EP3727756B1/de
Priority to US16/764,427 priority patent/US11292112B2/en
Priority to PCT/EP2018/083504 priority patent/WO2019120989A1/de
Priority to JP2020527889A priority patent/JP7019043B2/ja
Priority to CN201880076919.5A priority patent/CN111465470B/zh
Publication of EP3501742A1 publication Critical patent/EP3501742A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B31/00—Hand tools for applying fasteners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B23/00—Details of, or accessories for, spanners, wrenches, screwdrivers
    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
    • B25B23/147—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for electrically operated wrenches or screwdrivers
    • B25B23/1475—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for electrically operated wrenches or screwdrivers for impact wrenches or screwdrivers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B21/00—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose
    • B25B21/02—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose with means for imparting impact to screwdriver blade or nut socket

Definitions

  • the present invention relates to a setting method for expanding anchor, which is implemented as a control method for an impact wrench.
  • Expansion anchors are used among others for fixing builders.
  • the developers are usually provisionally fixed and then aligned. To do this, the user releases the expansion anchor and retracts it after alignment. Improper second tightening can damage the expansion anchor.
  • An embodiment of a setting method for expansion anchors by means of a striking screwdriver has a first phase S1 and a second phase S2.
  • a rotary impact is repeatedly exerted on a screw element of the expansion anchor, and a torque transferred from the rotary impact to the screw head is estimated.
  • the first phase S1 is terminated when the estimated transmitted torque exceeds a threshold value specified for the expansion anchor.
  • a predetermined for the expansion anchor first number of turns is applied to the screw head.
  • an actual rate of change of the estimated torque is monitored.
  • a modified second phase is commenced in which a second number of rotational strokes predetermined for the expansion anchor is applied to the screw head, the second number being less than the first number ,
  • Fig. 1 schematically illustrates the impact wrench 1 .
  • the impact wrench 1 has an electric motor 2 , a striking mechanism 3 and an output spindle 4 .
  • the striking mechanism 3 is driven continuously by the electric motor 2 .
  • the percussion mechanism 3 repeatedly applies angular impulses (rotational strikes) to the output spindle 4 with a short-term but very high torque.
  • the output spindle 4 rotates correspondingly continuously or stepwise about a working axis 5 .
  • the electric motor 2 can be powered by a battery 6 or mains powered.
  • the impact wrench 1 has a handle 7 , by means of which the user can hold and guide the impact wrench 1 during operation.
  • the handle 7 may be rigid or secured by means of damping elements on a machine housing 8 .
  • the electric motor 2 and the striking mechanism 3 are arranged in the machine housing 8 .
  • the electric motor 2 is switched on and off by means of a button 9 .
  • the button 9 is for example arranged directly on the handle 7 and operable by the hand surrounding the handle.
  • the exemplary striking mechanism 3 has a hammer 10 and an anvil 11 .
  • the hammer 10 has claws 12 which rest in the direction of rotation on jaws 13 of the anvil 11 .
  • the Hammer 10 may transmit continuous torque or momentary angular momentum to the anvil 11 via the claws 12 .
  • a coil spring 14 biases the hammer 10 toward the anvil 11 , thereby holding the hammer 10 in engagement with the anvil 11 . If the torque exceeds the threshold, the hammer 10 shifts against the force of the coil spring until the claws 12 are no longer in engagement with the anvil 11 .
  • the electric motor 2 can accelerate the hammer 10 in the direction of rotation until the hammer 10 is again forced into engagement with the anvil 11 by the helical spring 14 .
  • the kinetic energy gained in the meantime is transmitted by the hammer 10 to the anvil 11 in a short impulse.
  • An embodiment provides that the hammer 10 is forcibly guided on a drive spindle 15 along a helical path 16 .
  • the positive guidance can be realized, for example, as a helical depression in the drive spindle 15 and a pin of the hammer 10 engaging in the depression.
  • the drive spindle 15 is driven by the electric motor 2 .
  • the output spindle 4 protrudes from the machine housing 8 .
  • the protruding end forms a tool holder 17 .
  • the exemplary tool holder 17 has a square cross section.
  • a socket 18 or similar tool can be plugged onto the tool holder 17 .
  • the socket 18 has a socket with a square hollow cross-section, which substantially corresponds in its dimensions to the tool holder 17 .
  • the socket opposite the socket 18 has a mouth 20 for receiving the screw head 21 , ie the hexagonal nut 22 or an analog screw.
  • the socket 18 may be secured by means of a tool lock 23 on the output spindle 4 .
  • the tool lock 23 is based for example on a pin which is inserted through both a bore in the output spindle 4 and in the socket 18 .
  • the impact wrench 1 has a control unit 24 .
  • the control unit 24 can be realized for example by a microprocessor and an external or integrated memory 25 .
  • the control unit can be realized from equivalent discrete components, an ASIC, an ASSP, etc.
  • the impact wrench 1 has an input element 26 , via which the user can select an operating mode.
  • the control unit 24 then controls the impact wrench 1 according to the selected operating mode.
  • the control sequences of the various operating modes may be stored in the memory 25 .
  • the operating modes include, among other things, a setting method for expansion anchors and setting methods for screw connections in steel construction.
  • the input element 26 may include, for example, a display 27 and one or more input buttons 28 .
  • the control unit 24 can display the various operating modes stored in the memory 25 and, if appropriate, associated connection types. The user can select the operating mode by means of the input key 28 . In addition, the user can enter specifications such as size, diameter, length, set torque, load capacity or manufacturer name of a connection type.
  • the impact wrench 1 has a communication interface 29 , which communicates with an external input element 30 .
  • the external input element 30 may be, for example, a mobile phone, a laptop or analogue mobile device.
  • the input element may be an additional module which can be arranged as an adapter between impact wrench 1 and battery 6 .
  • connection types are stored or the application can query them via a mobile radio interface from a server.
  • the external input element 30 may represent the expansion anchors or relevant information of the connection type on a display 31 .
  • the user selects a connection type via an input key 32 or a touch-sensitive display 31 .
  • the external input element 30 transmits the type designation or parameters of the selected connection type relevant to the control method to the impact wrench 1 via a communication interface 33 to the communication interface 29 of the impact wrench 1 .
  • the communication interface 29 is preferably radio-based, eg using a Bluetooth standard.
  • the internal input element 28 or the external input element 30 may be provided with a camera 34 which can detect a bar code on a packaging of the type of connection.
  • the input element 28 determines the connection type based on the detected bar code and the bar codes stored in the memory 25 .
  • a laser-based bar code reader, an RFID reader, etc. may be used to detect a label on the package or on the type of connection.
  • an image processing in the input element 28 can recognize the connection type based on an image captured by the camera 34 , or at least delimit a selection of connection types presented to the user based on the image.
  • Fig. 3 shows an expansible anchor 35, which is anchored in a wall 36 of an attachment fixed to the wall 36 37th
  • the expansion anchor 35 has an anchor rod 38 .
  • At one end of the anchor rod 38 is a screw head 21st At a screw head 21 remote from the end of a spreading mechanism 39 is provided.
  • the spreading mechanism 39 is inserted into a borehole in the wall 36 .
  • a tensile stress acting on the spreading mechanism 39 by the screw head 21 is translated by the spreading mechanism 39 into a radial clamping force against the inner wall of the borehole.
  • the expansion anchor 35 acts self-locking, since an increasing tensile load on the expansion anchor 35 through the attachment 37 leads to a higher clamping force.
  • the expansion anchor 35 is pretensioned during setting by means of the screw head 21 .
  • the expansion anchor 35 is specified with a desired torque with which the screw head 21 is to be tightened when setting.
  • a manual setting operation of the expansion anchor 35 provides the following.
  • a borehole is drilled in the wall 36 according to the specifications of the expansion anchor 35 .
  • the specification specifies the diameter of the borehole, which is equal to the outer diameter of the spreading mechanism 39 .
  • the spreading mechanism 39 is driven into the borehole, typically with hammer strokes.
  • the attachment 37 is positioned on the screw head 21 .
  • the screw head 21 is tightened manually by means of a torque wrench.
  • the torque wrench signals that the specified target torque of the expansion anchor 35 has been reached.
  • the screw head 21 is then released again, for example, to align the attachment 37 .
  • the user subsequently tightens the screw head 21 again with the torque wrench and the same specified setpoint torque.
  • multiple expansion anchors 35 are necessary to secure the attachment 37 .
  • the user can first bias each of the expansion anchor 35 slightly before the expansion anchor 35 are tightened according to the target torque.
  • the user can be interrupted when tightening a Spreizankers 35 , whereupon the user hopefully continues the process later with the torque wrench.
  • the spreading mechanism 39 is based, for example, on a sleeve 40 and a cone 41 on the anchor rod 38 .
  • the sleeve 40 is opposite the cone 41 along the anchor rod 38th movable.
  • the anchor rod 38 has a thinner cylindrical neck 42 which surrounds the sleeve 40 .
  • An inner diameter of the sleeve 40 is larger than the outer diameter of the neck 42 .
  • Adjacent to the sleeve 40 on the side remote from the screw head 21 of the sleeve 40 , the cone 41 is arranged. The lateral surface of the cone 41 tapers in the direction of the sleeve 40 .
  • the outer diameter of the lateral surface decreases from a value greater than the inner diameter of the sleeve 40 to a value less than the inner diameter of the sleeve 40th
  • the specified diameter of the borehole corresponds to the outer diameter of the sleeve 40 , for which reason it adheres or rubs against the inner wall of the borehole.
  • the sleeve 40 may be circumferentially closed or slotted. Further, the cone 41 may be conical, wavy, pyramid-shaped. An essential aspect of the operation is the coefficient of friction of the sleeve 40 on the inner wall.
  • the sleeve 40 is typically made of a steel or other iron-based material.
  • the wall 36 is made of a mineral construction material, eg concrete or natural stone.
  • the screw head 21 can consist of an external thread 43 on the anchor rod 38 and a nut 22 mounted on the external thread 38 .
  • the nut preferably has a hexagonal circumference.
  • the anchor rod 38 may have an internal thread into which a screw is inserted.
  • the screw has a head which protrudes radially beyond the anchor rod 38 .
  • the head of the screw has a hexagonal circumference.
  • the impact wrench 1 implements a setting method for the expansion anchor 35 ; Operating mode "expansion anchor” ( Fig. 4 ).
  • the setting method is suitable with the expansion anchor 35 to attach an attachment 37 to a wall 36 .
  • the user drills the wellbore into the wall 36 and pushes the expansion anchor 35 into the wellbore.
  • the tightening of the screw head 21 by means of the impact wrench. 1 Compared with a continuously rotating electric screwdriver, the impact wrench 1 is characterized by generating a repetitive rotary stroke with short-term and high torque.
  • Each type of expansion anchor is assigned several control parameters, which are necessary for the subsequent proper course of the setting process.
  • the control parameters are stored in the memory 25 to the type of expansion anchor.
  • the control unit 24 reads out the corresponding control parameters.
  • the control parameters are preferably maintained until the user selects another type of expansion anchor 35 . Selecting the expansion anchor 35 before each setting is not necessary.
  • the electric motor 2 from the power supply, for example, the battery 6 , separated.
  • a speed D of the electric motor 2 is zero or drops to zero.
  • the separation can be done electromechanically by the button 9 itself or by an electrical switching element in the current path between the electric motor 2 and the power supply.
  • the button 9 must be kept pressed continuously by the user during the entire setting process. If the user releases the button 9 , the electric motor 2 is immediately disconnected from the power supply and consequently the setting process is interrupted.
  • the impact wrench 1 preferably falls when releasing the button 9 in a standby mode (standby). In the standby mode, the impact wrench 1 reduces its energy consumption, in particular for a battery-powered impact wrench 1.
  • the control unit 24 can be deactivated; reduce its functionality to the mere inspection of the button 9 and the input element 28 et cetera.
  • the setting process begins. If necessary, the impact wrench 1 is awakened from standby mode. In a preparatory phase, it can be checked whether the user has previously selected an expansion anchor 35 by means of one of the input elements 28 . If a corresponding selection has not yet been made and the control parameters are not set, the user is stopped and the impact wrench 1 remains inactive. Otherwise, the electric motor 2 is connected to the power supply.
  • the first phase S1 of the setting process begins with the first stroke of impact wrench 1 (time t0 ).
  • a highly schematic profile 44 of the torque M is in Fig. 5 shown.
  • the torque M exerted by the output spindle 4 is estimated.
  • the first phase S1 is terminated by default when the estimated torque M exceeds a threshold value M0 ( C1 ).
  • the threshold value M0 is typically less than the setpoint torque M9 for the expansion anchor 35 .
  • the electric motor 2 rotates the drive spindle 15 preferably at a predetermined first speed D1.
  • the control unit 24 can, for example, the rotational speed D of the drive spindle 15 directly with a rotary sensor 45 on the drive spindle 15 or indirectly via a rotary sensor on the electric motor. 2 determine.
  • the first rotational speed D1 is one of the control parameters associated with the expansion anchor 35 .
  • the speed has an influence on the output from the impact wrench 1 torque.
  • the hammer 10 detaches from the anvil 11 after a rotational stroke and is accelerated by the drive spindle 15 until the next rotary impact on the anvil 11 . The next twist occurs when the hammer 10 is again aligned with the anvil 11 .
  • the angle of rotation ⁇ by which the output spindle 4 rotates due to the rotary stroke is determined.
  • the output torque M corresponds to the transmitted angular momentum and the angle of rotation ⁇ , about which the output spindle 4 rotates due to the rotation.
  • the output torque M is estimated.
  • a characteristic field can be stored, which assigns a pairing of speed D and rotation angle ⁇ a torque M or a torque describing size.
  • the angle of rotation ⁇ is determined by a sensor 46 in the impact wrench 1 .
  • the sensor 46 for example, directly detect the rotational movement of the output spindle 4 with a rotation sensor 47 .
  • the rotation sensor 47 can detect marks on the output spindle 4 inductively or optically.
  • the sensor 46 can estimate the angle of rotation ⁇ of the output spindle 4 based on the rotational movement of the drive spindle 15 between two successive turns.
  • the drive spindle 15 rotates between the two rotational strokes by the angular distance of the claws 12 , for example 180 degrees, and if the anvil 11 has been rotated, in addition to the rotational angle ⁇ of the output spindle 4 .
  • the rotational shocks are detected by a rotary impact sensor 48 .
  • the sensor 46 detects the angle of rotation of the drive spindle 15 in the time span between two directly successive rotational strokes.
  • the beginning and the end of the period are detected by detecting the rotational strokes by means of a rotary impact sensor 48 .
  • the rotary impact sensor 48 may, for example, the increased short-term vibration associated with the rotational shock in the Capture impact wrench 1 .
  • the vibration is compared, for example, with a threshold, the beginning or the end corresponds to the time of exceeding the threshold.
  • the torque sensor 48 may also be based on an acoustic microphone or infrasonic microphone that detects a peak in volume.
  • Another variant of a rotary speed sensor 48 detects the power consumption or a rotational speed fluctuation of the electric motor 2 .
  • the angle of rotation of the drive spindle 15 can be calculated, for example, from the rotational speed D or the signals of the rotary sensor 45 and the time span.
  • the rotational angle ⁇ of the output spindle 4 is determined as the rotation angle of the drive spindle 15 minus the angular distance of the claws 12 .
  • the impact wrench 1 continuously compares the estimated torque M with the threshold M0 during the first phase S1 .
  • the first phase S1 is terminated immediately when the threshold M0 is exceeded ( C1 ).
  • the comparison of the torque M with the threshold value M0 is equivalent to a comparison of the rotational angle per rotational shock ⁇ with a threshold value per rotational shock ⁇ 0.
  • a pairing of a rotational speed D1 and a rotational angle ⁇ 0 to be undershot can be stored for an expansion anchor 35 .
  • the first phase S1 is terminated when the screw head 21 only turns a little. The detection of the rotation angle ⁇ becomes increasingly inaccurate. Likewise, the correlation between speed and angular momentum decreases.
  • the first phase S1 is immediately followed by the second phase S2 .
  • the speed D of the drive spindle 15 may continue to be regulated to the first speed D1 .
  • a predetermined number N1 of turns are applied.
  • the number N1 of the rotary impacts is another control parameter specific to the expansion anchor.
  • the setpoint torque M9 of the expansion anchor 35 is approximately achieved.
  • the angle of rotation ⁇ is approximately the same for each additional rotary stroke.
  • the number N1 of the rotary strokes thus corresponds to a rotation by a predetermined angle of rotation ⁇ 1.
  • the additional tensile stress of the expansion anchor 35 is largely proportional to the rotational angle ⁇ 1.
  • the tensile stress can thus be adjusted in doses over the number N1 of the rotational strokes.
  • the necessary number N1 of rotational strokes or the rotational angle ⁇ can be determined in test series for the expansion anchor 35 and the impact wrench 1 and the predetermined rotational speed D1 of the second phase S2 and stored in the memory 25 .
  • the number N of strokes is counted.
  • the recognition of the punches can be carried out as described above, for example by means of a rotary impact sensor 48 .
  • the second phase S2 is terminated immediately when the number N of turns reaches the target number N1 ( C2 ).
  • the second phase S2 is preferably followed by a relaxation phase S3 .
  • the repetition rate of the rotational shocks is reduced compared to the second phase S2 .
  • the speed D is lowered to a second speed D2 .
  • the second speed D2 is less than the first speed D1 .
  • the second speed D2 is below the critical speed which the impact wrench 1 requires to reach the setpoint torque.
  • the second rotational speed D2 is for example between 50% and 80% of the first rotational speed D1 .
  • the relaxation phase S3 is preferably time-controlled.
  • a duration T1 of the relaxation phase S3 is, for example, in the range between 0.5 seconds [s] and 5 s.
  • the above-described two-phase or three-phase setting method is suitable for attracting an expansion anchor 35 immediately after it has been inserted into the borehole. It may happen that for the subsequent alignment of the attachment 37, the user will release the strained expansion anchor 35 and subsequently tighten again. However, a repeated passage through the two phases or three phases could damage the expansion anchor 35 or even the ground.
  • the setting process has a check routine which determines, at least during the first phase S1 , whether the expansion anchor 35 has already been tightened once.
  • the exemplary check routine determines a rate of change w of the estimated torque M.
  • the rate of change w ie the increase of the torque M between successive laps or averaged over several lashes, proves to be a robust characteristic which discriminates between a never tightened expansion anchor 35 and a newly released expansion anchor 35 .
  • a course 49 of the estimated torque M for a previously released expansion anchor 35 is in Fig. 5 shown.
  • the rate of change w is characteristically greater in the case of the expansion anchor 35 (course 49 ) which has once again been loosened than in the other case 44 .
  • the impact wrench 1 determines the rate of change w during the first phase S1 and compares the rate of change w with a limit value w0 .
  • the rate of change w is preferably averaged over a plurality of spins or a time window ⁇ T , which typically extends over a plurality of spins. If the limit value w0 is exceeded, the impact wrench 1 ends the first phase S1 .
  • the limit value w0 is another of the control parameters associated with the expansion anchor 35 .
  • the limit value w0 can be stored as a rate of change.
  • the W change rate may also be detected by means of a predetermined time window ⁇ T and a to be achieved within the time window ⁇ T prescribed threshold value M2 of the torque M.
  • the time window ⁇ T starts with the first beat t0 .
  • Exceeds the threshold value M the torque M2 still within the time window ⁇ T the first phase S1 terminates with exceeding the threshold M2. Accordingly, the time window .DELTA.T and the threshold M2 is deposited.
  • the so prematurely ended first phase S1 is followed by a modified phase S2b .
  • the modified phase S2b is substantially equal to the second phase S2 .
  • the impact wrench 1 exerts a predetermined number N2 of turns.
  • the number N2 is significantly lower than in the second phase S2.
  • the number N2 is less than half the number N1 , eg less than one third of the number N1 .
  • a significantly lower additional torque is applied to the expansion anchor 35 , as is the case in the standard second phase S2 .
  • the modified second phase S2 is thus significantly shorter than the standard second phase S2 .
  • a relaxation phase S3 is provided, this connects to the modified second phase S2b .
  • the rate of change w can also be monitored during the second phase S2 . If the rate of change w exceeds the predetermined threshold w0 , the second phase S2 is terminated prematurely and the method continues with the modified second phase S2b .
  • the user may intentionally or accidentally release the button 9 during the setting process.
  • the electric motor 2 stopped immediately or at least disconnected from the power supply.
  • the setting process is thus aborted.
  • the control method logs in the memory 25 the achieved set state. In particular, it is recorded in the memory 25 which of the three phases of the setting process has been reached. Thereafter, the impact wrench 1 can go into the standby mode S0 .
  • the control method allows the user to complete the setting process.
  • the user is prompted for example via the display 27 to complete the setting process.
  • the user can select by means of the input element 28 whether the setting process should be continued with the next actuation of the button 9 or alternatively a standard new setting process should take place.
  • the request may appear, for example, when the user presses the button 9 again.
  • the display 27 may permanently signal the prompt to the user.
  • the user can request by means of the input element 28 answer.
  • the mode "continue setting process” the button 9 an operating pattern be assigned. For example, a double tap before completely pressing the button 9 corresponds to the selection "continue setting", while the immediate pressing of the button 9 corresponds to the selection "standard new setting". If the user does not respond to the request within a waiting period, eg, within 30 seconds, the control process returns to its default mode and will perform the next set operation according to a standard new setting procedure.
  • the default new setting process is after the two or three phases described above. If the user requests a continuation of the setting process, the above setting method is modified depending on the setting status already reached.
  • the setting process begins again, ie with the first phase S1 .
  • the torque M is estimated or the rotation angle ⁇ each rotation determined until the termination condition for the first phase S1 is reached and followed by the subsequent phases.
  • the control method stores in the log the number of already executed drafts.
  • the predetermined number N of laps is reduced by the number of laps stored in the log.
  • the relaxation phase S3 optionally follows.
  • the control method stores in the protocol the already executed duration of the relaxation phase S3 in the event of an abort.
  • the already executed duration is read from the memory 25 and deducted from the predetermined duration.
  • Fig. 6 schematically shows a screw connection of two structural elements 50, 51 for steel construction in civil engineering.
  • the two construction elements 50 , 51 are to be connected resiliently by means of one or more screw 52 .
  • the structural members 50 , 51 may include, for example, beams, plates, tubes, flanges, etc.
  • the construction elements are made of steel or other metallic materials.
  • the construction elements 50, 51 are reduced in their representation to their contacting plate-shaped sections.
  • One or more eyes 53 are provided in the sections. The eyes 53 of the two construction elements are aligned with each other by the user.
  • the screw 52 may have a typical construction with a screw head 54 on a threaded rod 55 and a nut 56 . While the threaded rod 55 has a smaller diameter than the eyes 53 , the screw head 54 and the nut 56 have a larger diameter than the eye 53rd The threaded rods may already be connected to the first construction element 50 in other screw connection.
  • the user inserts the threaded rods 55 through the aligned eyes 53 . Subsequently, the nut 56 is placed. For a manual attachment, the user will tighten the nut 56 with a torque wrench until a specified torque specified for the screw connection is achieved.
  • the specification is specified by the manufacturer of the bolted joint or specified in relevant steel construction standards.
  • the setpoint torque ensures that the screw connection can not come loose under load, in particular vibrations.
  • the threaded rod 55 should not be unnecessarily stressed, or in the worst case during the tightening of the nut 56 permanently damaged.
  • Torque wrench tightening 52 is a reliable and robust process, but the process is labor intensive. Especially as often the screw 52 typically includes many screws. The screw 52 could basically be tightened with a classic electric screwdriver and a corresponding shutdown until reaching the desired torque. However, the user can not afford the necessary holding force for the target torque and there is a significant risk of injury to the user.
  • the impact wrench 1 implements a robust setting method for the screw connection 52 .
  • the user aligns the structural members 51 to each other, inserts the threaded rods 55 through the second structural member 51 and sets the nuts 56 .
  • the construction elements 50 , 51 are occasionally not flat on each other, as exemplified in Fig. 7 illustrated.
  • the user has to ensure that the construction elements 50 , 51 lie flat on one another in the area of the screw connection 52 .
  • the user can tighten one or more of the nuts 56 by hand.
  • the tightening torque may be less than the desired torque M of the screw 52 remain.
  • Using a torque wrench is optional.
  • the user pulls the screw 52 with the impact wrench 1 , which attracts the screw 52 to the target torque M. If initially the construction elements 50 , 51 are not flat on top of each other, the impact wrench 1 breaks off the setting process and directs the user to the missing or incomplete preparatory step. For this purpose, the user selects the operating mode "steel construction" and specifies the type of screw connections 52 .
  • Each type of screw 52 is associated with several control parameters, which are necessary for the subsequent proper sequence of the setting process.
  • the control parameters are stored in the memory 25 to the type.
  • the control unit 24 reads out the corresponding control parameters.
  • the control parameters are preferably maintained until the user selects another type of threaded connection 52 . Selecting the screw 52 prior to each setting is not necessary.
  • the electric motor 2 from the power supply, such as the battery 6 is disconnected and does not rotate.
  • the impact wrench 1 preferably falls when releasing the button 9 in a standby mode.
  • the setting process begins.
  • it can be checked whether the user has previously selected the type of screw connection 52 by means of one of the input elements 28 . If a corresponding selection has not yet been made and the control parameters are not set, the user is stopped and the impact wrench 1 remains inactive. Otherwise, the electric motor 2 is connected to the power supply.
  • the drive spindle 15 is accelerated.
  • the spindle is accelerated to a target speed Do.
  • the retroactive torque of the screw 52 may be so low that the hammer mechanism 3 is not activated. This pre-phase will not be described further below.
  • the first phase S11 of the setting process begins the first beat of the hammer mechanism 3 .
  • the torque M exerted by the output spindle 4 is estimated.
  • the first phase S11 is terminated by default when the estimated torque M exceeds a threshold M0 .
  • the threshold M0 is typically less than the setpoint torque M9 for the threaded connection 52 .
  • the estimation of the torque M takes place as described in connection with the phase S1 of tightening an expansion anchor.
  • the necessary control parameters are stored in the memory 25 for the screw 52 .
  • the first phase S11 is immediately followed by the second phase S12 .
  • the speed D of the drive spindle 15 can be further controlled to the target speed Do.
  • a predetermined number N3 of turns are applied.
  • the number N3 of the rotary impacts is another control parameter specific to the expansion anchor. With the number N3 of the rotational strokes, the nominal torque of the screw 52 is approximately achieved.
  • the second phase S12 largely corresponds to the second phase S2 when setting an expansion anchor 35 .
  • the described two-phase setting method "steel construction" is suitable to tighten a screw 52 for connecting two steel construction elements 50 , 51 , if they lie flat on one another.
  • a test routine C1 is active, which estimates whether the steel construction elements 50 , 51 are flat on top of each other. If the check routine C1 detects a plan-lying, the setting process is performed with the phases described above to the end. If the check routine denies a flat relationship , a protection routine S13 is executed. The protection routine S13 can immediately abort the setting process in a simple implementation. The display 27 of the impact wrench 1 can issue a corresponding hint, which is why the setting process has been canceled.
  • the test routine C11 estimates the angle of rotation ⁇ of the screw connection starting from the first beat (time t0 ).
  • a curve 57 of the angle of rotation ⁇ over time is compared with stored control parameters for the screw connection 52 .
  • the rotation angle ⁇ is preferably averaged from a plurality of measurement points.
  • Fig. 8 illustrates the course 57 of the Angle of rotation ⁇ .
  • the essentially stepwise increasing angle of rotation ⁇ can in practice be detected only with a strong noise.
  • the rate of increase of the angle of rotation ⁇ can be measured for each type of threaded connection 52 from experimental series.
  • the course is essentially determined by the elastic behavior of the screw 52 .
  • the construction elements 50 , 51 - as far as lying flat on one another - have only a small influence on the course.
  • Indulging in not flat superposed construction elements 50, 51 is dominated by the stiffness thereof and a gap between the structural elements 50, 51, the rigidity of the overall system.
  • the stiffness is typically reduced.
  • the control parameters describe an upper limit 58 , which must not exceed the angle of rotation ⁇ during tightening. Exceeding the upper limit 58 is recognized as a non-planar superimposition.
  • the check routine causes a cancel S13 of the setting process.
  • the upper limit 58 is preferably not a fixed value but a value increasing with time or with the number of beats.
  • the check routine is preferably activated with the first beat at time t0 .
  • the test routine is preferably terminated after a predetermined period ⁇ T, for example, the test routine is terminated at the end of the first phase S11 .
  • the upper limit 58 can be determined for various screw connections 52 , in particular different diameters of the screws, by means of test series.
  • An alternative setting method "Steel Structure II" passes through the first phase S11 and the second phase S12 as described above .
  • the number N8 of the rotational strokes for the second phase S12 is not predetermined, but is derived from the curve 59 of the rotational angle ⁇ during the previous setting operation.
  • An estimation routine S14 compares the course 59 of the rotation angle ⁇ over the time t with a set of patterns 60 (FIG. Fig. 10 ).
  • the patterns 60 are typical courses of the angle of rotation ⁇ determined by test series when tightening screw connections 52 in steel construction.
  • the estimation routine S14 determines the pattern 60 closest to the current profile 59 .
  • the pattern 60 is assigned the number N8 of second phase rotation beats S12 in a look-up table.
  • Fig. 10 shows an example of a course 59 in which the construction elements 51 lie flat on one another.
  • the example patterns 60 have three sections: a start 61 , a middle 62, and an end 63 .
  • the beginning has a linear gradient with a first slope.
  • the end has a linear course with a second slope, which is less than the first slope.
  • the center 62 is described, for example, by an exponential function with monotonically decreasing slope.
  • the center can be described by other functions with continuously monotonically decreasing slope, eg exponential function, hyperbola.
  • the transitions between the sections are preferably smooth.
  • the pattern has four to six degrees of freedom.
  • the degrees of freedom are or describe, among other things, the slope of the beginning, the slope of the end, the duration of the beginning, and the duration of the middle.
  • the comparison of the curve with the pattern can be done with a fit calculation in which the numerical values for the degrees of freedom are varied, eg using the method of least squares.
  • the patterns 60 are conveniently provided for different types of screw connections 52 in a memory 25 .
  • the user preferably enters the type via the input element 28 before tightening the screw 52 .
  • the estimation routine S14 limits the adaptation to the pattern 60 associated with the selected type.
  • the estimation routine S14 preferably records the rotation angle ⁇ over the time t , starting with the first impact t0 , in order to obtain measurement points for the comparison.
  • a measuring point includes the measured angle of rotation ⁇ and the associated time t.
  • the rotational angle ⁇ can be estimated based on the rotational angle of the drive spindle 15 between successive rotational strokes.
  • Time recording can be approximated by a chronological recording of the angles of rotation ⁇ .
  • the measuring points can be stored in a buffer.
  • the estimation routine S14 adapts the pattern 60 to the measurement points. For a meaningful result of the adaptation, this is preferably carried out after a minimum number of lashes. It also proves to be advantageous to perform the adaptation at the beginning of the second phase S12 , ie when the estimated torque M exceeds a threshold value M0 . The adaptation can be carried out repeatedly, as long as this allows the computing power of impact wrench 1 . Alternatively, the estimation routine S14 is executed only once.
  • the estimation routine S14 is completed when a deviation of the pattern 60 from the measurement points is within a predetermined tolerance. If a deviation of the pattern is outside of a tolerance after a predetermined number of turns or predetermined duration, or if the minimum number of measurement points for the end of the pattern is undershot, an error message is output and the setting process is aborted.
  • the determined pattern 60 provides information about the elastic behavior of the screw connection 52. Based on the elastic behavior, the number N8 of necessary rotational strikes for the second phase S12 can be derived. In one embodiment, associated values for N8 are stored for the patterns 60 . Instead of a look-up table, an algorithm can determine from the numbers the set number N8 . As soon as the estimation routine S14 has determined the setpoint number N8 of the rotational strokes for the second phase S12 , the target number N8 for the second phase S12 is determined. The setting method counts from the change from the first phase S11 to the second phase S12, the number of applied rotary strikes. Once the number N8 is reached, the setting process is ended. The beginning of the second phase S12 is preferably before setting the desired number N8 .
  • the change from the first phase S11 to the second phase S12 is based on an estimate of the retroactive torque M. This estimate is subject to a significant measurement error.
  • An embodiment determines, based on the pattern 60 , with which rotary impact 64 the threshold value M0 has been exceeded. The previously made change from the first phase S11 to the second phase S12 may have occurred at a different rotation than the rotary impact 64 .
  • the estimation routine S14 may adjust the target number N8 according to the deviation.

Abstract

Ein Setzverfahren für Spreizanker (35) mittels eines Schlagschraubers (1) hat eine erste Phase (S1) und eine zweite Phase (S2). In der ersten Phase wird wiederholt ein Drehschlag auf ein Schraubelement des Spreizankers (35) ausgeübt und ein von dem Drehschlag auf den Schraubkopf (21) übertragenes Drehmoments (M) wird geschätzt wird. Die erste Phase (S1) wird beendet wenn das geschätzte übertragene Drehmoment einen für den Spreizanker vorgegebenen Schwellwert (M0) überschreitet. Während der zweiten Phase (S2) wird eine für den Spreizanker (35) vorgegebene erste Anzahl (N1) von Drehschlägen auf den Schraubkopf (21) ausgeübt. Zumindest während der ersten Phase wird eine aktuelle Änderungsrate (w) des geschätzten Drehmoments (M) überwacht. Ansprechend auf ein Überschreiten eines für den Spreizanker (35) vorgegebenen Grenzwert (w0) der Änderungsrate durch die aktuelle Änderungsrate (w) wird eine modifizierte zweite Phase (S2b) begonnen, in welcher eine für den Spreizanker vorgegebene zweite Anzahl (N2) von Drehschlägen auf den Schraubkopf ausgeübt wird, wobei die zweite Anzahl (N2) geringer als die erste Anzahl (N1) ist.

Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Setzverfahren für Spreizanker, welches als Steuerungsverfahren für einen Schlagschrauber implementiert ist.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Spreizanker werden unter Andere zum Fixieren von Bauträgern verwendet. Die Bauträger werden üblicherweise provisorisch fixiert und erst danach ausgerichtet. Dazu löst der Anwender den Spreizanker und zieht diesen nach dem Ausrichten wieder an. Ein unsachgemäßes zweites Anziehen kann den Spreizanker schädigen.
  • Eine Ausgestaltung eines Setzverfahren für Spreizanker mittels eines Schlagschraubers hat eine erste Phase S1 und eine zweite Phase S2. In der ersten Phase wird wiederholt ein Drehschlag auf ein Schraubelement des Spreizankers ausgeübt und ein von dem Drehschlag auf den Schraubkopf übertragenes Drehmoments wird geschätzt wird. Die erste Phase S1 wird beendet wenn das geschätzte übertragene Drehmoment einen für den Spreizanker vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Während der zweiten Phase wird eine für den Spreizanker vorgegebene erste Anzahl von Drehschlägen auf den Schraubkopf ausgeübt. Zumindest während der ersten Phase wird eine aktuelle Änderungsrate des geschätzten Drehmoments überwacht. Ansprechend auf ein Überschreiten eines für den Spreizanker vorgegebenen Grenzwert der Änderungsrate durch die aktuelle Änderungsrate wird eine modifizierte zweite Phase begonnen, in welcher eine für den Spreizanker vorgegebene zweite Anzahl von Drehschlägen auf den Schraubkopf ausgeübt wird, wobei die zweite Anzahl geringer als die erste Anzahl ist.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:
    • Fig. 1
    einen Schlagschrauber
    Fig. 2
    ein Eingabeelement
    Fig. 3
    einen Spreizanker
    Fig. 4
    ein Ablaufdiagramm zu dem Betriebsmodus "Spreizanker"
    Fig. 5
    ein Verlauf des geschätzten Drehmoments
    Fig. 6
    eine Schraubverbindung von zwei Stahlplatten
    Fig. 7
    eine Schraubverbindung von zwei Stahlplatten
    Fig. 8
    einen Verlauf eines Drehwinkels
    Fig. 9
    ein Ablaufdiagramm zu dem Betriebsmodus "Stahlbau"
    Fig. 10
    einen Verlauf eines Drehwinkels
    Fig. 11
    ein Ablaufdiagramm zu dem Betriebsmodus "Stahlbau"
  • Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
    • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG Schlagschrauber
  • Fig. 1 illustriert schematisch den Schlagschrauber 1. Der Schlagschrauber 1 hat einen Elektromotor 2, ein Schlagwerk 3 und eine Abtriebsspindel 4. Das Schlagwerk 3 wird von dem Elektromotor 2 kontinuierlich angetrieben. Sobald ein rückwirkendes Drehmoment der Abtriebsspindel 4 einen Schwellwert überschreitet, übt das Schlagwerk 3 wiederholt Drehimpulse (Drehschläge) mit einem zwar kurzzeitigen aber dafür mit einem sehr hohen Drehmoment auf die Abtriebsspindel 4 aus. Die Abtriebsspindel 4 dreht sich entsprechend kontinuierlich oder schrittweise um eine Arbeitsachse 5. Der Elektromotor 2 kann über eine Batterie 6 gespeist oder netzgespeist sein.
  • Der Schlagschrauber 1 hat einen Handgriff 7, mittels welchem der Anwender den Schlagschrauber 1 während des Betriebs halten und führen kann. Der Handgriff 7 kann steif oder mittels Dämpfungselementen an einem Maschinengehäuse 8 befestigt sein. Der Elektromotor 2 und das Schlagwerk 3 sind in dem Maschinengehäuse 8 angeordnet. Der Elektromotor 2 ist mittels eines Tasters 9 ein- und ausschaltbar. Der Taster 9 ist beispielsweise unmittelbar an dem Handgriff 7 angeordnet und durch die den Handgriff umschließende Hand betätigbar.
  • Das beispielhafte Schlagwerk 3 hat einen Hammer 10 und einen Amboss 11. Der Hammer 10 hat Klauen 12, welche in Drehrichtung an Klauen 13 des Amboss 11 anliegen. Der Hammer 10 kann über die Klauen 12 ein kontinuierliches Drehmoment oder kurzzeitige Drehimpulse auf den Amboss 11 übertragen. Eine Schraubenfeder 14 spannt den Hammer 10 in Richtung zu dem Amboss 11 vor, wodurch der Hammer 10 mit dem Amboss 11 in Eingriff gehalten wird. Falls das Drehmoment den Schwellwert überschreitet, verschiebt sich der Hammer 10 soweit gegen die Kraft der Schraubenfeder, bis die Klauen 12 nicht mehr in Eingriff mit dem Amboss 11 sind. Der Elektromotor 2 kann den Hammer 10 in Drehrichtung beschleunigen, bis der Hammer 10 durch die Schraubenfeder 14 erneut in Eingriff mit dem Amboss 11 gezwungen wird. Die zwischenzeitlich gewonnene kinetische Energie überträgt der Hammer 10 in einem kurzen Impuls auf den Amboss 11. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Hammer 10 auf einer Antriebsspindel 15 entlang einer spiralförmigen Bahn 16 zwangsgeführt ist. Die Zwangsführung kann beispielsweise als spiralförmige Vertiefung in der Antriebsspindel 15 und einen in die Vertiefung eingreifenden Zapfen des Hammers 10 realisiert sein. Die Antriebsspindel 15 ist durch den Elektromotor 2 angetrieben.
  • Die Abtriebsspindel 4 steht aus dem Maschinengehäuse 8 hervor. Das herausstehende Ende bildet einen Werkzeughalter 17. Der beispielhafte Werkzeughalter 17 hat einen quadratischen Querschnitt. Eine Stecknuss 18 oder ähnliches Werkzeug kann auf den Werkzeughalter 17 aufgesteckt werden. Die Stecknuss 18 hat eine Buchse mit einem quadratischen hohlen Querschnitt, der in seinen Maßen im Wesentlichen dem Werkzeughalter 17 entspricht. Der Buchse gegenüberliegend hat die Stecknuss 18 ein Maul 20 zum Aufnehmen des Schraubkopfs 21, d.h. der sechskantigen Mutter 22 oder einer analogen Schraube. Die Stecknuss 18 kann mittels eines Werkzeugverriegelung 23 an der Abtriebsspindel 4 gesichert sein. Die Werkzeugverriegelung 23 basiert beispielsweise auf einem Stift, welcher sowohl durch eine Bohrung in der Abtriebsspindel 4 als auch in der Stecknuss 18 gesteckt wird.
  • Der Schlagschrauber 1 hat eine Steuerungseinheit 24. Die Steuerungseinheit 24 kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor und einen externen oder integrierten Speicher 25 realisiert sein. Anstelle eines Mikroprozessors kann die Steuerungseinheit aus äquivalenten diskreten Bauelementen, einen ASIC, ein ASSP, etc. realisiert sein.
  • Der Schlagschrauber 1 hat ein Eingabeelement 26, über welches der Anwender einen Betriebsmodus auswählen kann. Die Steuerungseinheit 24 steuert daraufhin den Schlagschrauber 1 entsprechend dem gewählten Betriebsmodus an. Die Steuerungssequenzen der verschiedenen Betriebsmodi können in dem Speicher 25 hinterlegt sein. Die Betriebsmodi umfassen unter Anderem ein Setzverfahren für Spreizanker und Setzverfahren für Schraubverbindungen im Stahlbau.
  • Das Eingabeelement 26 kann beispielsweise eine Anzeige 27 und ein oder mehrere Eingabetaster 28 beinhalten. Die Steuerungseinheit 24 kann die verschiedenen in dem Speicher 25 hinterlegten Betriebsmodi und ggf. damit assoziierten Verbindungstypen anzeigen. Der Anwender kann mittels der Eingabetaster 28 den Betriebsmodus auswählen. Zudem kann der Anwender Spezifikationen, wie Größe, Durchmesser, Länge, Soll-Drehmoment, Belastbarkeit oder Herstellerbezeichnung eines Verbindungstyps eingegeben. In einer alternativen Ausgestaltung hat der Schlagschrauber 1 eine Kommunikationsschnittstelle 29, welche mit einem externen Eingabeelement 30 kommuniziert. Das externe Eingabeelement 30 kann beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Laptop oder analoges Mobilgerät sein. Ferner kann das Eingabeelement ein Zusatzmodul sein, welches sich als Adapter zwischen Schlagschrauber 1 und Batterie 6 anordnen lässt. In einer auf dem Eingabeelement 30 ausgeführten Applikation sind mehrere Verbindungstypen hinterlegt oder die Applikation kann diese über eine Mobilfunkschnittstelle von einem Server abfragen. Das externe Eingabeelement 30 kann die Spreizanker oder relevante Informationen des Verbindungstyps auf einer Anzeige 31 darstellen. Der Anwender wählt einen Verbindungstyp über einen Eingabetaster 32 oder eine berührungsempfindliche Anzeige 31 aus. Das externe Eingabeelement 30 übermittelt die Typenbezeichnung oder für das Steuerungsverfahren relevanten Parameter des ausgewählten Verbindungstyps an den Schlagschrauber 1 via einer Kommunikationsschnittstelle 33 an die Kommunikationsschnittstelle 29 des Schlagschraubers 1. Die Kommunikationsschnittstelle 29 ist vorzugsweise funkbasiert, z.B. unter Verwendung eines Bluetooth Standards. In einer Ergänzung oder Alternative kann das interne Eingabeelement 28 oder das externe Eingabeelement 30 mit einer Kamera 34 versehen sein, welche einen Strichkode auf einer Verpackung des Verbindungstyps erfassen kann. Das Eingabeelement 28 ermittelt den Verbindungstyp basierend auf dem erfassten Strichkode und den in dem Speicher 25 hinterlegten Strichkodes. Anstelle einer Kamera 34 kann ein Laser-basierter Strichkode-Leser, ein RFID-Lesegerät, etc. verwendet werden, um ein Label an der Verpackung oder an dem Verbindungstyp zu erfassen. In einer weiteren Ausgestaltung kann eine Bildverarbeitung in dem Eingabeelement 28 den Verbindungstyp anhand eines von der Kamera 34 aufgenommenen Bildes erkennen, oder zumindest eine dem Anwender präsentierte Auswahl an Verbindungstypen basierend auf dem Bild eingrenzen.
    • Spreizanker
  • Fig. 3 zeigt einen Spreizanker 35, welcher in einer Wand 36 verankert ein Anbauteil 37 an der Wand 36 befestigt. Der Spreizanker 35 hat eine Ankerstange 38. An einem Ende der Ankerstange 38 ist ein Schraubkopf 21. An einem dem Schraubkopf 21 abgewandten Ende ist ein Spreizmechanismus 39 vorgesehen. Der Spreizmechanismus 39 ist in ein Bohrloch in der Wand 36 eingesetzt. Eine von dem Schraubkopf 21 auf den Spreizmechanismus 39 wirkende Zugspannung setzt der Spreizmechanismus 39 in eine radiale Klemmkraft gegen die Innenwand des Bohrlochs um. Der Spreizanker 35 wirkt selbsthemmend, da eine zunehmende Zugbelastung an dem Spreizanker 35 durch das Anbauteil 37 zu einer höheren Klemmkraft führt. Damit bei einem gesetzten Spreizanker 35 seine spezifizierten Belastungswerte gewährleistet sind, wird der Spreizanker 35 beim Setzen mittels des Schraubkopfs 21 vorgespannt. Der Spreizanker 35 ist mit einem Soll-Drehmoment spezifiziert, mit welchem der Schraubkopf 21 beim Setzen angezogen werden soll.
  • Ein manueller Setzvorgang des Spreizankers 35 sieht folgendes vor. In einem vorbereitenden Schritt wird ein Bohrloch entsprechend den Spezifikationen des Spreizankers 35 in die Wand 36 gebohrt. Die Spezifikation gibt unter Anderem den Durchmesser des Bohrlochs vor, welcher gleich dem Außendurchmesser des Spreizmechanismus 39 ist. Der Spreizmechanismus 39 wird, typischerweise mit Drehschlägen eines Hammers, in das Bohrloch eingetrieben. Das Anbauteil 37 wird auf dem Schraubkopf 21 positioniert. Anschließend wird der Schraubkopf 21 händisch mittels eines Drehmomentschlüssels angezogen. Beim Anziehen stützt sich der Schraubkopf 21 mittelbar über das Anbauteil 37 an der Wand 36 längs der Ankerstange 38 ab, wodurch die Zugspannung erzeugt wird. Der Anwender beendet, das Anziehen, wenn der Drehmomentschlüssel signalisiert, dass das spezifizierte Soll-Drehmoment des Spreizankers 35 erreicht ist. In manchen Anwendungen wird der Schraubkopf 21 anschließend nochmals gelöst, beispielsweise um das Anbauteil 37 auszurichten. Der Anwender zieht den Schraubkopf 21 danach nochmals mit dem Drehmomentschlüssel und dem gleichen spezifizierten Soll-Drehmoment an. In anderen Anwendungen sind mehrere Spreizanker 35 notwendig, um das Anbauteil 37 zu befestigten. Der Anwender kann zunächst jeden der Spreizanker 35 etwas vorspannen, bevor die Spreizanker 35 dem Soll-Drehmoment entsprechend angezogen werden. Ferner kann der Anwender beim Anziehen eines Spreizankers 35 unterbrochen werden, worauf der Anwender hoffentlich den Vorgang später mit dem Drehmomentschlüssel fortsetzt.
  • Der Spreizmechanismus 39 basiert beispielsweise auf einer Hülse 40 und einem Konus 41 an der Ankerstange 38. Die Hülse 40 ist gegenüber dem Konus 41 längs der Ankerstange 38 beweglich. In der beispielhaften Darstellung hat die Ankerstange 38 einen dünneren zylindrischen Hals 42, welchen die Hülse 40 umschließt. Ein Innendurchmesser der Hülse 40 ist größer als der Außendurchmesser des Halses 42. Angrenzend an die Hülse 40, auf der von dem Schraubkopf 21 abgewandte Seite der Hülse 40 ist der Konus 41 angeordnet. Die Mantelfläche des Konus 41 verjüngt sich in Richtung zu der Hülse 40. Der Außendurchmesser der Mantelfläche verringert sich von einem Wert größer als der Innendurchmesser der Hülse 40 auf einen Wert geringer als der Innendurchmesser der Hülse 40. Der spezifizierte Durchmesser des Bohrlochs entspricht dem Außendurchmesser der Hülse 40, weshalb diese an der Innenwand des Bohrlochs haftet oder reibt. Beim Anziehen an der Ankerstange 38 und damit an dem Konus 41, bleibt die Hülse 40 stehen, während der Konus 41 in die Hülse 40 hineingezogen wird. Der Konus 41 weitet die Hülse 40 auf. Hülse 40 und Konus 41 können vielfältig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Hülse 40 mit mehreren dem Konus 41 zugewandten Laschen versehen sein. Die Hülse 40 kann umlaufend geschlossen oder geschlitzt sein. Ferner kann der Konus 41 kegelförmig, gewellt, pyramidenförmig geformt sein. Ein wesentlicher Aspekt für die Funktionsweise ist der Reibwert der Hülse 40 an der Innenwand. Die Hülse 40 ist typischerweise aus einem Stahl oder ein anderen eisenbasierten Material. Die Wand 36 ist aus einem mineralischen Bauwerkstoff, z.B. Beton oder Naturstein.
  • Der Schraubkopf 21 kann beispielhaft aus einem Außengewinde 43 an der Ankerstange 38 und einer auf dem Außengewinde 38 aufgesetzten Mutter 22 bestehen. Die Mutter hat vorzugsweise einen sechseckigen Umfang. Alternativ kann die Ankerstange 38 ein Innengewinde aufweisen, in welches eine Schraube eingesetzt ist. Die Schraube hat einen Kopf, der radial über die Ankerstange 38 hinaussteht. Der Kopf der Schraube hat beispielsweise einen sechseckigen Umfang.
    • Steuerungsverfahren "Spreizanker"
  • Der Schlagschrauber 1 implementiert ein Setzverfahren für den Spreizanker 35; Betriebsmodus "Spreizanker" (Fig. 4). Das Setzverfahren ist geeignet mit dem Spreizanker 35 ein Anbauteil 37 an einer Wand 36 zu befestigen. In einem vorbereitenden Schritt bohrt der Anwender das Bohrloch in die Wand 36 und schiebt den Spreizanker 35 in das Bohrloch. Das Anziehen des Schraubkopfs 21 erfolgt mittels des Schlagschraubers 1. Gegenüber einem kontinuierlich drehenden Elektroschrauber zeichnet sich der Schlagschrauber 1 durch das Erzeugen eines sich wiederholenden Drehschlags mit kurzzeitigen und dafür hohem Drehmoment aus. Ferner besteht zwischen einer Abtriebsspindel 4 und einem Handgriff 7 des Schlagschraubers 1 keine starre Ankopplung, weshalb ein auf den Anwender rückwirkendes Gegenmoment typischerweise deutlich geringer als der ausgeübte Drehschlag ist. Der Anwender wählt mittels des Eingabeelements 28 den Betriebsmodus "Spreizanker" und gibt den Typ des Spreizankers 35 an.
  • Jedem Typus von Spreizanker sind mehrere Steuerungsparameter zugeordnet, welche für den nachfolgenden ordnungsgemäßen Ablauf des Setzverfahrens notwendig sind. Die Steuerungsparameter sind in dem Speicher 25 zu dem Typus des Spreizankers hinterlegt. Ansprechend auf die Eingabe oder Auswahl des Spreizankers 35 liest die Steuerungseinheit 24 die entsprechenden Steuerungsparameter aus. Die Steuerungsparameter werden vorzugweise solange beibehalten, bis der Anwender einen anderen Typus von Spreizanker 35 auswählt. Ein Auswählen des Spreizankers 35 vor jedem einzelnen Setzen ist nicht notwendig.
  • Bei einem unbetätigten Taster 9 ist der Elektromotor 2 von der Stromversorgung, z.B. der Batterie 6, getrennt. Eine Drehzahl D des Elektromotors 2 ist Null beziehungsweise fällt auf Null ab. Die Trennung kann elektromechanisch durch den Taster 9 selbst oder durch ein elektrisches Schaltelement in dem Strompfad zwischen Elektromotor 2 und der Stromversorgung erfolgen. Der Taster 9 muss von dem Anwender während des gesamten Setzvorgangs durchgehend gedrückt gehalten werden. Falls der Anwender den Taster 9 loslässt, wird der Elektromotor 2 sofort von der Stromversorgung getrennt und in Folge das Setzverfahren unterbrochen. Der Schlagschrauber 1 fällt vorzugsweise beim Lösen des Tasters 9 in einen Bereitschaftsmodus (Standby). In dem Bereitschaftsmodus reduziert der Schlagschrauber 1 seine Energieaufnahme, insbesondere für einen Batterie-gespeisten Schlagschrauber 1. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit 24 deaktiviert; seine Funktionalität auf die reine Überprüfung des Tasters 9 und des Eingabeelements 28 reduzieren et cetera.
  • Mit Betätigen des Tasters 9 beginnt das Setzverfahren. Gegebenenfalls wird der Schlagschrauber 1 aus dem Bereitschaftsmodus geweckt. In einer vorbereitenden Phase kann geprüft werden, ob der Anwender zuvor einen Spreizanker 35 mittels eines der Eingabeelemente 28 ausgewählt hat. Falls eine entsprechende Auswahl bisher nicht vorgenommen wurde und die Steuerungsparameter nicht gesetzt sind, wird der Anwender dazu angehalten und der Schlagschrauber 1 bleibt inaktiv. Andernfalls wird der Elektromotor 2 mit der Stromversorgung verbunden.
  • Während bei einem kontinuierlich drehenden Schrauber das abgegebene Drehmoment recht einfach über die Leistungsaufnahme des Elektromotors und die Drehzahl der Abtriebsspindel gemessen werden kann, ist dies aufgrund der mechanischen Entkopplung zwischen der Abtriebsspindel 4 und dem Elektromotor 2 bei dem Schlagschrauber 1 nicht möglich. Eine unmittelbare Messung des abgegebenen Drehmoments mittels eines Sensors an der Abtriebsspindel ist aufgrund der hohen mechanischen Belastungen technisch sehr anspruchsvoll und nicht für den Schlagschrauber geeignet. Das Setzverfahren behilft sich mit einer groben Schätzung des ausgeübten Drehmoments M in einer ersten Phase S1 und einer nachfolgenden Korrektur in einer zweiten Phase S2. Das zweiphasige Verfahren ist robuster gegenüber a priori unbekannten Einflüssen auf das Setzverhalten, insbesondere den Einfluss der Beschaffenheit der Wand 36 auf den Setzvorgang.
  • Mit Betätigen des Tasters 9 beginnt typischerweise eine Vor-Phase, welche in der nachfolgenden Beschreibung nicht weiter erläutert wird. Während der Vor-Phase S1 ist das von dem Schlagschrauber 1 ausgeübte Drehmoment M so gering sein, dass der Schlagmechanismus nicht ausgelöst und der Schlagschrauber 1 kontinuierlich ein typischerweise ansteigendes Drehmoment ausübt. Die erste Phase S1 des Setzverfahrens beginnt mit dem ersten Schlag des Schlagschraubers 1 (Zeitpunkt t0). Ein stark schematisierter Verlauf 44 des Drehmoments M ist in Fig. 5 dargestellt. Während der ersten Phase S1 wird das von der Abtriebsspindel 4 ausgeübte Drehmoment M geschätzt. Die erste Phase S1 wird standardmäßig beendet, wenn das geschätzte Drehmoment M einen Schwellwert M0 überschreitet (C1). Der Schwellwert M0 ist typischerweise geringer als das Soll-Drehmoment M9 für den Spreizanker 35.
  • Während der ersten Phase (S1) dreht der Elektromotor 2 die Antriebsspindel 15 vorzugsweise mit einer vorgegebenen ersten Drehzahl D1. Die Steuerungseinheit 24 kann beispielsweise die Drehzahl D der Antriebsspindel 15 unmittelbar mit einem Drehsensor 45 an der Antriebsspindel 15 oder mittelbar über einen Drehsensor an dem Elektromotor 2 bestimmen. Die erste Drehzahl D1 ist einer der dem Spreizanker 35 zugeordneten Steuerungsparameter. Die Drehzahl hat einen Einfluss auf das von dem Schlagschrauber 1 abgegebenen Drehmoment. Der Hammer 10 löst sich nach einem Drehschlag von dem Amboss 11 und wird durch die Antriebsspindel 15 bis zu dem nächsten Drehschlag auf den Amboss 11 beschleunigt. Der nächste Drehschlag erfolgt, wenn Hammer 10 wieder entsprechend zu dem Amboss 11 ausgerichtet ist. Bedingt durch die weitgehend vorgegebene Beschleunigungsstrecke resultiert eine höhere Drehzahl der Antriebsspindel 15 in einer höheren Winkelgeschwindigkeit und einem höheren Drehimpuls des Hammers 10 im Drehschlag. In einer groben Näherung wird angenommen, dass ein Großteil des Drehimpulses bei einem Drehschlag auf den Amboss 11 und die Abtriebsspindel 4 übertragen wird. In Versuchsreihen kann für verschiedene Drehzahlen der Drehimpuls oder eine den Drehimpuls beschreibende Größe ermittelt und in einem Kennlinienfeld abgelegt werden.
  • Während der ersten Phase S1 wird der Drehwinkel δΦ, um welchen sich die Abtriebsspindel 4 aufgrund des Drehschlags dreht ermittelt. Das abgegebene Drehmoment M entspricht dem übertragenen Drehimpuls und dem Drehwinkel δΦ, um welchen sich die Abtriebsspindel 4 aufgrund des Drehschlags dreht. Basierend auf dem ermittelten Drehwinkel δΦ und der näherungsweisen Korrelation von Drehimpuls und Drehzahl D wird das abgegebene Drehmoment M geschätzt. In dem Speicher 25 kann beispielsweise ein Kennlinienfeld hinterlegt sein, welches einer Paarung aus Drehzahl D und Drehwinkel δΦ ein Drehmoment M oder eine das Drehmoment beschreibende Größe zuordnet.
  • Der Drehwinkel δΦ wird durch eine Sensorik 46 in dem Schlagschrauber 1 ermittelt. Die Sensorik 46 kann beispielsweise unmittelbar die Drehbewegung des Abtriebsspindel 4 mit einem Drehsensor 47 erfassen. Der Drehsensor 47 kann Markierungen an der Abtriebsspindel 4 induktiv oder optisch abtasten. Alternativ oder ergänzend kann die Sensorik 46 den Drehwinkel δΦ der Abtriebsspindel 4 basierend auf der Drehbewegung der Antriebsspindel 15 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Drehschlägen schätzen. Die Antriebsspindel 15 dreht sich zwischen den zwei Drehschlägen um den Winkelabstand der Klauen 12, z.B. 180 Grad, und sofern sich der Amboss 11 gedreht hat, zusätzlich um den Drehwinkel δΦ der Abtriebsspindel 4. Die Drehschläge werden durch einen Drehschlagsensor 48 erfasst. Die Sensorik 46 erfasst dazu den Drehwinkel der Antriebsspindel 15 in der Zeitspanne zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Drehschlägen. Der Anfang und das Ende der Zeitspanne wird durch das Erfassen der Drehschläge mittels eines Drehschlagsensors 48 erfasst. Der Drehschlagsensor 48 kann beispielsweise die mit dem Drehschlag einhergehende erhöhte kurzzeitige Vibration in dem Schlagschrauber 1 erfassen. Die Vibration wird beispielsweise mit einem Schwellwert verglichen, der Anfang bzw. das Ende entspricht dem Zeitpunkt des Überschreitens des Schwellwerts. Der Drehschlagsensor 48 kann ebenso auf einem akustischen Mikrophon oder Infraschall-Mikrophon basieren, das eine Spitze in der Lautstärke erfasst. Eine weitere Variante eines Drehschlagsensors 48 erfasst die Leistungsaufnahme oder eine Drehzahlschwankung des Elektromotors 2. Die Leistungsaufnahme steigt kurzzeitig während des Drehschlages an. Der Drehwinkel der Antriebsspindel 15 kann beispielsweise aus der Drehzahl D oder den Signalen des Drehsensors 45 und der Zeitspanne errechnet werden. Der Drehwinkel δΦ der Abtriebsspindel 4 wird als der Drehwinkel der Antriebsspindel 15 abzüglich dem Winkelabstand der Klauen 12 bestimmt.
  • Der Schlagschrauber 1 vergleicht während der ersten Phase S1 fortlaufend das geschätzte Drehmoment M mit dem Schwellwert M0. Die ersten Phase S1 wird unmittelbar beendet, wenn der Schwellwert M0 überschritten ist (C1). In einer Ausgestaltung mit der konstanten Drehzahl D1 ist der Vergleich des Drehmoments M mit dem Schwellwert M0 äquivalent zu einem Vergleich des Drehwinkels pro Drehschlag δΦ mit einem Schwellwert pro Drehschlag δΦ0. In dem Speicher 25 kann zu einem Spreizanker 35 eine Paarung aus einer Drehzahl D1 und einem zu unterschreitenden Drehwinkel δΦ0 hinterlegt sein. Die erste Phase S1 wird beendet, wenn der Schraubkopf 21 sich nur noch wenig dreht. Die Erfassung des Drehwinkels δΦ wird zunehmend ungenau. Ebenso nimmt die Korrelation zwischen Drehzahl und Drehimpuls ab.
  • An die erste Phase S1 schließt sich unmittelbar die zweite Phase S2. Die Drehzahl D der Antriebsspindel 15 kann weiterhin auf die erste Drehzahl D1 geregelt sein. Während der zweiten Phase wird eine vorgegebene Anzahl N1 von Drehschlägen ausgeübt. Die Anzahl N1 der Drehschläge ist ein weiterer für den Spreizanker spezifischer Steuerungsparameter. Mit der Anzahl N1 der Drehschläge wird das Soll-Drehmoment M9 des Spreizankers 35 näherungsweise erreicht. Nach der ersten Phase S1 ist der Drehwinkel δΦ für jeden weiteren Drehschlag näherungsweise gleich. Die Anzahl N1 der Drehschläge entspricht somit einem Drehen um einen vorgegebenen Drehwinkel ΔΦ1. Unter Annahme eines elastischen Verhaltens des Spreizankers 35 ist die zusätzliche Zugspannung des Spreizankers 35 weitgehend proportional zu dem Drehwinkel ΔΦ1. Die Zugspannung kann somit dosiert über die Anzahl N1 der Drehschläge eingestellt werden. Die notwendige Anzahl N1 von Drehschlägen bzw. der Drehwinkel δΦ lassen sich in Versuchsreihen für den Spreizanker 35 und den Schlagschrauber 1 und die vorgegebene Drehzahl D1 der zweiten Phase S2 ermitteln und in dem Speicher 25 hinterlegen. Während der zweiten Phase S2 wird die Anzahl N der ausgeübten Drehschläge gezählt. Das Erkennen der Drehschläge kann wie oben ausgeführt beispielsweise mittels eines Drehschlagsensors 48 erfolgen. Die zweite Phase S2 wird unmittelbar beendet, wenn die Anzahl N von Drehschlägen die Sollzahl N1 erreicht (C2).
  • An die zweite Phase S2 schließt sich vorzugsweise eine Relaxationsphase S3 an. Die Wiederholungsrate der Drehschläge wird gegenüber der zweiten Phase S2 reduziert. Die Drehzahl D wird auf eine zweite Drehzahl D2 abgesenkt. Die zweite Drehzahl D2 ist geringer als die erste Drehzahl D1. Insbesondere liegt die zweite Drehzahl D2 unterhalb der kritischen Drehzahl, welche der Schlagschrauber 1 zum Erreichen des Soll-Drehmoments benötigt. Die zweite Drehzahl D2 liegt beispielsweise zwischen 50 % und 80 % der ersten Drehzahl D1. Die Relaxationsphase S3 ist vorzugsweise zeitgesteuert. Eine Dauer T1 der Relaxationsphase S3 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 Sekunden [s] und 5 s.
  • Das zuvor beschriebene zwei-phasige oder drei-phasige Setzverfahren ist geeignet einen Spreizanker 35 anzuziehen, unmittelbar nachdem dieser in das Bohrloch eingesetzt wurde. Es kann vorkommen, dass für das nachträgliche Ausrichten des Anbauteils 37 der Anwender den verspannten Spreizanker 35 lösen und nachträglich nochmals anziehen wird. Ein nochmaliges Durchlaufen der zwei Phasen bzw. drei Phasen könnte allerdings den Spreizanker 35 oder sogar den Untergrund schädigen.
  • Daher hat des Setzverfahren in dem Betriebsmodus "Spreizanker" eine Prüfroutine, welche zumindest während der ersten Phase S1 ermittelt, ob der Spreizanker 35 bereits einmal angezogen war. Die beispielhafte Prüfroutine ermittelt eine Änderungsrate w des geschätzten Drehmoments M. Wie bereits beschrieben nimmt das Drehmoment M von Drehschlag zu Drehschlag zu. Die Änderungsrate w, d.h. die Zunahme des Drehmoments M zwischen aufeinanderfolgenden Drehschlägen oder gemittelt über mehrere Drehschläge, erweist sich als robustes Kennzeichen, welches zwischen einem noch nie angezogenen Spreizanker 35 und einem nochmals gelösten Spreizanker 35 diskriminiert. Ein Verlauf 49 des geschätzten Drehmoments M für einen zuvor gelösten Spreizanker 35 ist in Fig. 5 gezeigt. Die Änderungsrate w ist bei dem nochmals gelösten Spreizanker 35 (Verlauf 49) charakteristisch größer als in dem anderen Fall 44. Der Schlagschrauber 1 ermittelt während der ersten Phase S1 die Änderungsrate w und vergleicht die Änderungsrate w mit einem Grenzwert w0. Die Änderungsrate w wird vorzugsweise über mehrere Drehschläge oder ein Zeitfenster δT, das sich typischerweise über mehrere Drehschläge erstreckt, gemittelt. Wird der Grenzwert w0 überschritten, beendet der Schlagschrauber 1 die erste Phase S1. Der Grenzwert w0 ist ein weiterer der Steuerungsparameter, welche dem Spreizanker 35 zugeordnet sind. Der Grenzwert w0 kann als Änderungsrate hinterlegt sein. Die Änderungsrate w kann auch mittels eines vorgegebenen Zeitfensters ΔT und einem innerhalb des Zeitfensters ΔT zu erreichenden vorgegebenen Schwellwert M2 des Drehmoments M erfasst werden. Das Zeitfenster ΔT beginnt mit dem ersten Schlag t0. Übersteigt das Drehmoment M den Schwellwert M2 noch innerhalb des Zeitfensters ΔT wird die erste Phase S1 mit Überschreiten des Schwellwerts M2 beendet. Entsprechend ist das Zeitfenster ΔT und der Schwellwert M2 hinterlegt.
  • An die derart vorzeitig beendete erste Phase S1 schließt sich eine modifizierte Phase S2b an. Die modifizierte Phase S2b ist im Wesentlichen gleich zu der zweiten Phase S2. Der Schlagschrauber 1 übt eine vorgegebene Anzahl N2 von Drehschlägen aus. Die Anzahl N2 ist deutlich geringer als in der zweiten Phase S2 Die Anzahl N2 ist geringer als die Hälfte der Anzahl N1, z.B. geringer als ein Drittel der Anzahl N1. Durch die modifizierte zweite Phase S2b wird ein deutlich geringeres zusätzliches Drehmoment auf den Spreizanker 35 ausgeübt, als dies bei der standardmäßigen zweiten Phase S2 der Fall ist. Die modifizierte zweite Phase S2 ist dadurch deutlich kürzer als die standardmäßige zweite Phase S2. Soweit eine Relaxationsphase S3 vorgesehen ist, schließt sich diese an die modifizierte zweite Phase S2b an.
  • In einer Ausgestaltung kann auch während der zweiten Phase S2 die Änderungsrate w überwacht werden. Falls die Änderungsrate w den vorgegebenen Schwellwert w0 überschreitet, wird die zweite Phase S2 vorzeitig beendet und das Verfahren setzt mit der modifizierten zweiten Phase S2b fort.
  • Der Anwender kann den Taster 9 während des Setzvorgangs absichtlich oder versehentlich loslassen. Der Elektromotor 2 sofort gestoppt oder zumindest von der Stromversorgung getrennt. Das Setzverfahren ist somit abgebrochen. Das Steuerungsverfahren protokolliert in dem Speicher 25 den erreichten Setzzustand. Insbesondere wird in dem Speicher 25 festgehalten, welche der drei Phasen des Setzvorgangs erreicht ist. Danach kann der Schlagschrauber 1 in den Bereitschaftsmodus S0 übergehen.
  • Das Steuerungsverfahren ermöglicht dem Anwender den Setzvorgang abzuschließen. In einer Ausführung wird der Anwender beispielsweise über die Anzeige 27 aufgefordert den Setzvorgang abzuschließen. Der Anwender kann mittels des Eingabeelements 28 auswählen, ob der Setzvorgang mit dem nächsten Betätigen des Tasters 9 fortgesetzt werden soll oder alternativ ein standardmäßiger neuer Setzvorgang erfolgen soll. Die Aufforderung kann beispielsweise erscheinen, wenn der Anwender den Taster 9 erneut andrückt. Alternativ kann die Anzeige 27 die Aufforderung dem Anwender permanent signalisieren. Der Anwender kann die Aufforderung mittels des Eingabeelements 28 beantworten. Alternativ kann dem Modus "Setzvorgang fortsetzen" dem Taster 9 ein Betätigungsmuster zugeordnet sein. Beispielsweise entspricht ein zweimaliges Antippen vor dem vollständigen Durchdrücken des Tasters 9 der Auswahl "Setzvorgang fortsetzen", während das sofortige Durchdrücken des Tasters 9 der Auswahl "standardmäßiger neuer Setzvorgang" entspricht. Falls der Anwender nicht innerhalb einer Wartedauer auf die Aufforderung reagiert, z.B. innerhalb von 30 s, kehrt das Steuerungsverfahren in seinen standardmäßigen Betrieb und wird den nächsten Setzvorgang entsprechend einem standardmäßigen neuen Setzvorgang durchführen.
  • Der standardmäßige neue Setzvorgang erfolgt nach den oben beschriebenen zwei oder drei Phase. Falls der Anwender ein Fortsetzen des Setzvorgangs anfordert, wird das obige Setzverfahren in Abhängigkeit des bereits erreichten Setzzustands modifiziert.
  • Falls Setzvorgang während der ersten Phase S1 abgebrochen wurde, beginnt das Setzverfahren von neu, d.h. mit der ersten Phase S1. Das Drehmoment M wird geschätzt bzw. der Drehwinkels δΦ jeden Drehschlags ermittelt, bis die Abbruchbedingung für die erste Phase S1 erreicht ist und worauf sich die nachfolgenden Phasen anschließen.
  • Falls der Setzvorgang während der zweiten Phase S2 abgebrochen wurde, werden nur noch die fehlenden Drehschläge ausgeführt. Das Steuerungsverfahren legt dazu in dem Protokoll die Anzahl der bereits ausgeführten Drehschläge ab. Bei dem Fortsetzen wird die vorgegebene Anzahl N Drehschläge um die in dem Protokoll hinterlegte Anzahl von Drehschlägen reduziert. Die Relaxationsphase S3 schließt sich gegebenenfalls an.
  • Falls der Setzvorgang währen der Relaxationsphase S3 unterbrochen wurde, kann diese um die bereits ausgeführte Dauer vor dem Abbruch gekürzt werden. Das Steuerungsverfahren legt dazu in dem Protokoll die bereits ausgeführte Dauer der Relaxationsphase S3 bei einem Abbruch ab. Bei dem Fortsetzen wird die bereits ausgeführte Dauer aus dem Speicher 25 ausgelesen und von der vorgegebenen Dauer abgezogen.
    • Stahlbau
  • Fig. 6 zeigt schematisch eine Schraubverbindung von zwei Konstruktionselementen 50, 51 für den Stahlbau im Bauingenieurwesen. Die beiden Konstruktionselemente 50, 51 sollen belastbar mittels ein oder mehreren Schraubverbindungen 52 verbunden werden. Die Konstruktionselemente 50, 51 können beispielsweise Träger, Platten, Rohre, Flansche, etc. umfassen. Die Konstruktionselemente sind aus Stahl oder anderen metallischen Materialien. Die Konstruktionselemente 50, 51 sind in der Darstellung auf ihre sich berührenden plattenförmigen Abschnitte reduziert. In den Abschnitten sind ein oder mehrere Augen 53 vorgesehen. Die Augen 53 der beiden Konstruktionselemente werden durch den Anwender aneinander ausgerichtet.
  • Die Schraubverbindungen 52 können einen typischen Aufbau mit einem Schraubenkopf 54 an einer Gewindestange 55 und einer Schraubenmutter 56 aufweisen. Während die Gewindestange 55 einen geringeren Durchmesser als die Augen 53 aufweist, haben der Schraubenkopf 54 und die Schraubenmutter 56 einen größeren Durchmesser als das Auge 53. Die Gewindestangen können bei anderen Schraubverbindung bereits mit dem ersten Konstruktionselement 50 verbunden sein.
  • Der Anwender steckt die Gewindestangen 55 durch die ausgerichteten Augen 53. Anschließend wird die Schraubenmutter 56 aufgesetzt. Bei einer manuellen Befestigung zieht der Anwender die Schraubenmutter 56 mit einem Drehmomentschlüssel an, bis ein für die Schraubverbindung spezifiziertes Soll-Drehmoment erreicht ist. Die Spezifikation wird von dem Hersteller der Schraubverbindung angegeben oder ist in einschlägigen Normen für das Stahlbauwesen spezifiziert. Das Soll-Drehmoment gewährleistet, dass sich die Schraubverbindung unter Belastung, insbesondere Vibrationen, nicht lösen kann. Andererseits soll die Gewindestange 55 nicht unnötig belastet werden, oder im schlimmsten Fall während des Anziehens der Schraubenmutter 56 dauerhaft beschädigt werden.
  • Ein Anziehen der Schraubverbindungen 52 mit einem Drehmomentschlüssel ist verlässliches und robustes Verfahren, allerdings ist das Verfahren arbeitsintensiv. Zumal häufig die Schraubverbindung 52 typischerweise viele Schrauben beinhaltet. Die Schraubverbindungen 52 könnten grundsätzlich mit einem klassischen Elektroschrauber und einer entsprechenden Abschaltung bis Erreichen des Soll-Drehmoments angezogen werden. Allerdings kann der Anwender die notwendige Haltekraft für das Soll-Drehmoment nicht aufbringen und es besteht ein erhebliches Verletzungsrisiko für den Anwender.
    • Steuerungsverfahren "Stahlbau"
  • Der Schlagschrauber 1 implementiert ein robustes Setzverfahren für die Schraubverbindung 52. Der Anwender richtet die Konstruktionselemente 51 aneinander aus, steckt die Gewindestangen 55 durch das zweite Konstruktionselemente 51 und setzt die Schraubenmuttern 56 auf. Die Konstruktionselemente 50, 51 liegen gelegentlich nicht plan aufeinander, wie beispielhaft in Fig. 7 illustriert. Der Anwender hat in einem vorbereitenden Schritt dafür Sorge zu tragen, dass die Konstruktionselemente 50, 51 im Bereich der Schraubverbindung 52 plan aufeinanderliegen. Dazu kann der Anwender eine oder mehrere der Schraubenmuttern 56 per Hand anziehen. Das Anzugsmoment kann geringer als das Soll-Drehmoment M der Schraubverbindung 52 bleiben. Eine Verwendung eines Drehmomentschlüssels ist optional. Anschließend zieht der Anwender die Schraubverbindungen 52 mit dem Schlagschrauber 1 an, welcher die Schraubverbindungen 52 bis zu dem Soll-Drehmoment M anzieht. Sofern anfangs die Konstruktionselemente 50, 51 nicht plan aufeinanderliegen, bricht der Schlagschrauber 1 den Setzvorgang ab und weist den Anwender auf den fehlenden oder unvollständig durchgeführten vorbereitenden Schritt hin. Der Anwender wählt hierzu den Betriebsmodus "Stahlbau" aus und spezifiziert den Typ der Schraubverbindungen 52.
  • Jedem Typus von Schraubverbindung 52 sind mehrere Steuerungsparameter zugeordnet, welche für den nachfolgenden ordnungsgemäßen Ablauf des Setzverfahrens notwendig sind. Die Steuerungsparameter sind in dem Speicher 25 zu dem Typus hinterlegt. Ansprechend auf die Eingabe oder Auswahl der Schraubverbindung 52 liest die Steuerungseinheit 24 die entsprechenden Steuerungsparameter aus. Die Steuerungsparameter werden vorzugweise solange beibehalten, bis der Anwender einen anderen Typus von Schraubverbindung 52 auswählt. Ein Auswählen der Schraubverbindung 52 vor jedem einzelnen Setzen ist nicht notwendig.
  • Bei einem unbetätigten Taster 9 ist der Elektromotor 2 von der Stromversorgung, z.B. der Batterie 6, getrennt und dreht nicht. Der Schlagschrauber 1 fällt vorzugsweise beim Lösen des Tasters 9 in einen Bereitschaftsmodus. Mit Betätigen des Tasters 9 beginnt das Setzverfahren. In einer vorbereitenden Phase kann geprüft werden, ob der Anwender zuvor den Typ der Schraubverbindung 52 mittels eines der Eingabeelemente 28 ausgewählt hat. Falls eine entsprechende Auswahl bisher nicht vorgenommen wurde und die Steuerungsparameter nicht gesetzt sind, wird der Anwender dazu angehalten und der Schlagschrauber 1 bleibt inaktiv. Andernfalls wird der Elektromotor 2 mit der Stromversorgung verbunden.
  • Ansprechend auf ein Betätigen des Tasters 9 wird die Antriebsspindel 15 beschleunigt. Die Spindel wird auf eine Soll-Drehzahl Do beschleunigt. Anfangs kann das rückwirkende Drehmoment der Schraubverbindung 52 so gering sein, dass das Schlagwerk 3 nicht aktiviert wird. Diese Vor-Phase wird nachfolgend nicht weiter beschrieben. Die erste Phase S11 des Setzverfahrens beginnt dem ersten Schlag des Schlagwerks 3. Während der ersten Phase S11 wird das von der Abtriebsspindel 4 ausgeübte Drehmoment M geschätzt. Die erste Phase S11 wird standardmäßig beendet, wenn das geschätzte Drehmoment M einen Schwellwert M0 überschreitet. Der Schwellwert M0 ist typischerweise geringer als das Soll-Drehmoment M9 für die Schraubverbindung 52. Die Schätzung des Drehmoments M erfolgt wie im Zusammenhang mit der Phase S1 dem Anziehen eines Spreizankers beschrieben. Die hierfür notwendigen Steuerungsparameter sind in dem Speicher 25 für die Schraubverbindung 52 hinterlegt.
  • An die erste Phase S11 schließt sich unmittelbar die zweite Phase S12 an. Die Drehzahl D der Antriebsspindel 15 kann weiterhin auf die Soll-Drehzahl Do geregelt werden. Während der zweiten Phase wird eine vorgegebene Anzahl N3 von Drehschlägen ausgeübt. Die Anzahl N3 der Drehschläge ist ein weiterer für den Spreizanker spezifischer Steuerungsparameter. Mit der Anzahl N3 der Drehschläge wird das Soll-Drehmoment der Schraubverbindung 52 näherungsweise erreicht. Die zweite Phase S12 entspricht weitgehend der zweiten Phase S2 beim Setzen eines Spreizankers 35.
  • Das beschriebene zwei-phasige Setzverfahren "Stahlbau" ist geeignet eine Schraubverbindung 52 zum Verbinden von zwei Stahl-Konstruktionselemente 50, 51 anzuziehen, sofern diese plan aufeinander liegen. Während der ersten Phase S11 ist eine Prüfroutine C1 aktiv, welche schätzt, ob die Stahl-Konstruktionselemente 50, 51 plan aufeinanderliegen. Falls die Prüfroutine C1 ein planes-Aufeinanderliegen ermittelt, wird das Setzverfahren mit den oben beschriebenen Phasen bis zum Ende durchgeführt. Falls die Prüfroutine ein planes Aufeinanderliegen verneint, wird eine Schutzroutine S13 ausgeführt. Die Schutzroutine S13 kann in einer einfachen Umsetzung das Setzverfahren unmittelbar abbrechen. Die Anzeige 27 des Schlagschraubers 1 kann einen entsprechenden Hinweis ausgeben, weshalb das Setzverfahren abgebrochen wurde.
  • Die Prüfroutine C11 schätzt den Drehwinkel Φ der Schraubverbindung beginnend ab dem ersten Schlag (Zeitpunkt t0). Ein Verlauf 57 des Drehwinkels Φ über die Zeit wird mit hinterlegten Steuerparametern zu der Schraubverbindung 52 verglichen. Der Drehwinkel Φ wird vorzugsweise aus mehreren Messpunkten gemittelt. Fig. 8 illustriert den Verlauf 57 des Drehwinkels Φ. Der im Wesentlichen stufenweise zunehmende Drehwinkel Φ lässt sich in der Praxis nur mit einem starken Rauschen behaftet erfassen. Die Anstiegsrate des Drehwinkels Φ kann für jeden Typ der Schraubverbindung 52 aus Versuchsreihen gemessen werden. Der Verlauf ist im Wesentlichen durch das elastische Verhalten der Schraubverbindung 52 bestimmt. Die Konstruktionselemente 50, 51 - soweit plan aufeinanderliegend - haben nur einen geringen Einfluss auf den Verlauf. Hingeben bei nicht plan aufeinanderliegenden Konstruktionselementen 50, 51 dominieren deren Steifigkeit und ein Spalt zwischen den Konstruktionselementen 50, 51 die Steifigkeit des Gesamtsystems. Die Steifigkeit ist typischerweise verringert. Bei gleicher Schlagleistung wird ein größerer Fortschritt des Drehwinkels Φ pro Zeit beobachtet. Die Steuerparameter beschreiben eine Obergrenze 58, welche der Drehwinkel Φ während des Anziehens nicht überschreiten darf. Ein Überschreiten der Obergrenze 58 wird als ein nicht planes Aufeinanderliegen erkannt. Die Prüfroutine veranlasst ein Abbrechen S13 des Setzvorgangs. Die Obergrenze 58 ist vorzugsweise kein fester Wert, sondern ein mit der Zeit oder mit der Anzahl der Schläge zunehmender Wert. Die Prüfroutine wird vorzugsweise mit dem ersten Schlag zum Zeitpunkt t0 aktiviert. Die Prüfroutine wird vorzugsweise nach einer vorgegebenen Zeitspanne ΔT beendet, beispielsweise wird die Prüfroutine mit Ende der ersten Phase S11 beendet. Die Obergrenze 58 kann für verschiedene Schraubverbindungen 52, insbesondere verschiedene Durchmesser der Schrauben, mittels Versuchsreihen ermittelt werden.
    • Stahlbau II
  • Ein alternatives Setzverfahren "Stahlbau II" durchläuft wie zuvor beschrieben die erste Phase S11 und die zweite Phase S12. Allerdings ist die Anzahl N8 der Drehschläge für die zweite Phase S12 nicht vorab festgelegt, sondern wird aus dem Verlauf 59 des Drehwinkels Φ während des bisherigen Setzvorgangs abgeleitet. Eine Schätzroutine S14 vergleicht den Verlauf 59 des Drehwinkels Φ über die Zeit t mit einer Schaar von Mustern 60 (Fig. 10). Die Muster 60 sind aus Versuchsreihen ermittelte typische Verläufe des Drehwinkels Φ beim Anziehen von Schraubverbindungen 52 im Stahlbau. Die Schätzroutine S14 ermittelt das dem aktuellen Verlauf 59 nächstkommende Muster 60. Zu dem Muster 60 ist die Anzahl N8 der Drehschläge für die zweite Phase S12 in einer Nachlagetabelle zugeordnet.
  • Fig. 10 zeigt beispielhaft einen Verlauf 59 bei welchem die Konstruktionselemente 51 plan aufeinanderliegen. Die beispielhaften Muster 60 haben drei Abschnitte: einen Anfang 61, eine Mitte 62 und ein Ende 63. Der Anfang hat einen linearen Verlauf mit einer ersten Steigung. Das Ende hat einen linearen Verlauf mit einer zweiten Steigung, welche geringer als die erste Steigung ist. Die Mitte 62 wird beispielsweise durch eine Exponentialfunktion mit monoton abnehmender Steigung beschrieben. Alternativ kann die Mitte durch andere Funktionen mit durchgehend monoton abnehmender Steigung beschrieben werden, z.B. Exponentialfunktion, Hyperbel. Die Übergänge zwischen den Abschnitten sind vorzugsweise glatt. Das Muster hat vier bis sechs Freiheitsgrade. Die Freiheitsgrade sind oder beschreiben unter Anderem die Steigung des Anfangs, die Steigung des Endes, die Dauer des Anfangs und die Dauer der Mitte. Der Vergleich des Verlaufs mit dem Muster kann mit einer Ausgleichsrechnung (Fit) erfolgen, in welcher die Zahlenwerte für die Freiheitsgrade variiert werden, z.B. unter Verwendung der Methode kleinster Quadrate. Die Muster 60 werden zweckmäßigerweise für unterschiedliche Typen von Schraubverbindungen 52 in einem Speicher 25 bereitgestellt. Der Anwender gibt vorzugsweise vor dem Anziehen der Schraubverbindung 52 den Typ über das Eingabeelement 28 ein. Die Schätzroutine S14 begrenzt die Anpassung auf die zu dem ausgewählten Typ zugehörigen Muster 60 ein.
  • Die Schätzroutine S14 zeichnet vorzugsweise beginnend mit dem ersten Schlag t0 den Drehwinkel Φ über die Zeit t auf, um Messpunkte für den Vergleich zu erhalten. Ein Messpunkt beinhaltet den gemessenen Drehwinkel Φ und den zugehörigen Zeitpunkt t. Der Drehwinkel Φ kann basierend auf dem Drehwinkel der Antriebsspindel 15 zwischen aufeinanderfolgenden Drehschlägen geschätzt werden. Eine Zeiterfassung kann durch eine chronologische Aufzeichnung der Drehwinkel Φ approximiert werden. Die Messpunkte können in einem Zwischenspeicher abgelegt werden.
  • Die Schätzroutine S14 passt das Muster 60 an die Messpunkte an. Für ein aussagekräftiges Ergebnis der Anpassung wird diese vorzugsweise nach einer Mindestanzahl von Drehschlägen durchgeführt. Es erweist sich ebenfalls als vorteilhaft, die Anpassung mit Beginn der zweiten Phase S12 durchzuführen, d.h. wenn das geschätzte Drehmoment M einen Schwellwert M0 übersteigt. Die Anpassung kann wiederholt ausgeführt werden, sofern dies die Rechenleistung des Schlagschraubers 1 ermöglicht. Alternativ wird die Schätzroutine S14 nur einmalig ausgeführt.
  • Die Schätzroutine S14 wird abgeschlossen, wenn eine Abweichung des Musters 60 von den Messpunkten innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt. Falls nach einer vorgegebenen Anzahl von Drehschlägen bzw. vorgegebenen Dauer eine Abweichung des Musters außerhalb einer Toleranz liegt oder die Mindestzahl von Messpunkten für das Ende des Musters unterschritten ist, wird eine Fehlermeldung ausgegeben und das Setzverfahren wird abgebrochen.
  • Das ermittelte Muster 60 gibt einen Aufschluss über das elastische Verhalten der Schraubverbindung 52. Basierend auf dem elastischen Verhalten lässt sich die Anzahl N8 notwendiger Drehschläge für die zweite Phase S12 ableiten. In einer Ausgestaltung sind zu den Mustern 60 zugehörige Werte für N8 hinterlegt. Anstelle einer Nachschlagetabelle kann ein Algorithmus aus den Zahlenwerten die Sollzahl N8 bestimmen. Sobald die Schätzroutine S14 die Sollzahl N8 der Drehschläge für die zweite Phase S12 ermittelt hat, wird die Sollzahl N8 für die zweite Phase S12 festgelegt. Das Setzverfahren zählt ab dem Wechsel von der ersten Phase S11 zu der zweiten Phase S12 die Anzahl ausgeübter Drehschläge. Sobald die Anzahl N8 erreicht ist, wird das Setzverfahren beendet. Der Beginn der zweiten Phase S12 liegt vorzugsweise vor dem Festlegen der Sollzahl N8.
  • Der Wechsel von der ersten Phase S11 zu der zweiten Phase S12 erfolgt basierend auf einer Schätzung des rückwirkenden Drehmoments M. Diese Schätzung ist mit einem signifikanten Messfehler beaufschlagt. Eine Ausgestaltung ermittelt basierend auf der Muster 60, mit welchem Drehschlag 64 der Schwellwert M0 überschritten wurde. Der zuvor vorgenommene Wechsel von der ersten Phase S11 in die zweite Phase S12 kann zu einem anderen Drehschlag als dem Drehschlag 64 erfolgt sein. Die Schätzroutine S14 kann die Sollzahl N8 entsprechend der Abweichung anpassen.

Claims (4)

  1. Setzverfahren für Spreizanker (35) mittels eines Schlagschraubers (1) mit einer ersten Phase (S1), in welcher wiederholt ein Drehschlag auf ein Schraubelement des Spreizankers (35) ausgeübt wird und ein von dem Drehschlag auf den Schraubkopf (21) übertragenes Drehmoments (M) geschätzt wird, solange bis das geschätzte übertragene Drehmoment (M) einen für den Spreizanker (35) vorgegebenen Schwellwert (M0) überschreitet;
    einer zweiten Phase (S2), in welcher eine für den Spreizanker (35) vorgegebene erste Anzahl (N1) von Drehschlägen auf den Schraubkopf (21) ausgeübt wird,
    dadurch kennzeichnet, dass
    zumindest während der ersten Phase (S1) eine aktuelle Änderungsrate (w) des geschätzten Drehmoments (M) überwacht wird und ansprechend auf ein Überschreiten eines für den Spreizanker (35) vorgegebenen Grenzwert (w0) der Änderungsrate (w) durch die aktuelle Änderungsrate (w) eine modifizierte zweite Phase (S2b) beginnt, in welcher eine für den Spreizanker (35) vorgegebene zweite Anzahl (N2) von Drehschlägen auf den Schraubkopf (21) ausgeübt wird, wobei die zweite Anzahl (N2) geringer als die erste Anzahl (N1) ist.
  2. Setzverfahren nach Anspruch 1, dadurch kennzeichnet, dass der Grenzwert (w0) für die Änderungsrate (w) durch ein Zeitfenster (T0) und einen zweiten Schwellwert (M2) für das geschätzte Drehmoment (M), welcher innerhalb des Zeitfensters (T0) zu erreichen ist, definiert ist.
  3. Setzverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch kennzeichnet, dass eine dritte Phase (S3), in welcher eine Wiederholrate der Drehschläge gegenüber der zweiten Phase (S2) reduziert ist.
  4. Setzverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Erfassen des Spreizankers (35) vor Beginn der ersten Phase (S1) und Setzen des Schwellwerts M0, der vorgegebenen ersten Anzahl (N1) von Drehschlägen, der vorgegebenen zweiten Anzahl (N2) von Drehschlägen und des Grenzwerts (w0) in Abhängigkeit des erfassten Spreizankers (35).
EP17208782.7A 2017-12-20 2017-12-20 Setzverfahren für spreizanker mittels schlagschrauber Withdrawn EP3501742A1 (de)

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PCT/EP2018/083504 WO2019120989A1 (de) 2017-12-20 2018-12-04 Setzverfahren für spreizanker mittels schlagschrauber
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