EP3727758A1 - Setzverfahren für schraubverbindungen mittels schlagschrauber - Google Patents

Setzverfahren für schraubverbindungen mittels schlagschrauber

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EP3727758A1
EP3727758A1 EP18822091.7A EP18822091A EP3727758A1 EP 3727758 A1 EP3727758 A1 EP 3727758A1 EP 18822091 A EP18822091 A EP 18822091A EP 3727758 A1 EP3727758 A1 EP 3727758A1
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EP
European Patent Office
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phase
rotational
torque
screw connection
final
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EP18822091.7A
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Matthaeus ALBERDING
Dario BRALLA
Antonio Orvieto
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Hilti AG
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Hilti AG
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Publication date
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    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for
    • B25F5/001—Gearings, speed selectors, clutches or the like specially adapted for rotary tools

Definitions

  • the present invention relates to a setting method for expanding anchor, which is implemented as a control method for an impact wrench.
  • a control method of an impact wrench (1) for tightening a screw connection (52) executes a sequential phase sequence in response to an operation of a key (9).
  • a first phase an impact mechanism (3) of the impact wrench (1) exerts a predetermined number N1 of rotational impacts on the screw connection (52).
  • a course of a rotation angle F over the time (t) is estimated.
  • a pattern is fitted to the trace and based on the pattern a target torque MO is determined for a second phase S2 and a final spin angle or a final number of strokes for a third phase S3.
  • the second phase (S2) rotational shocks are applied until an estimated torque M reaches the target torque MO.
  • the screw connection is subjected to rotational strokes until a number of the rotational strokes of the final number N3 or a rotational angle corresponds to the final rotational angle.
  • Fig. 1 an impact wrench
  • Fig. 2 is an input element
  • Fig. 3 is a screw connection of two steel plates
  • Fig. 4 is a screw connection of two steel plates
  • Fig. 5 shows a course of a rotation angle
  • the impact wrench 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 impact mechanism 3 is continuously driven 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 accordingly 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 has claws 12 which rest in the direction of rotation on jaws 13 of the anvil 11.
  • 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 engaged with the anvil
  • 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 moment.
  • One 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 bushing 19 with a square hollow cross-section, which essentially corresponds in its dimensions to the tool holder 17.
  • the socket 19 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 may be realized, for example, by a microprocessor and an external or integrated memory 25. Instead of a microprocessor, 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 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, setpoint torque, load capacity or manufacturer designation 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.
  • the external input element 30 may include the expansion anchors or relevant information represent 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 camera 34 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 schematically a screw connection of two construction 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 53.
  • 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 pulls the user the nut 56 with a torque wrench until a specified torque for the screw connection is reached.
  • 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.
  • the construction elements 50, 51 are occasionally not flat on one another, as illustrated by way of example in FIG. 4.
  • the structural elements 51 deform.
  • the retroactive torque of the threaded connection 52 thus depends not only on the type of screw but also on the structural elements 51 and their actual prestressing. In the case of manual tightening, as a result, as a rule, there are no additional difficulties since the user sees whether the construction elements 50, 51 are already lying flat on one another.
  • 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 driver 1 implements a robust setting method for the screw connection 52.
  • the user aligns the construction elements 51 to each other, inserts the threaded rods 55 through the second construction elements 51 and sets the nuts 56 on.
  • the user can tighten the screw 52 with the impact wrench 1.
  • the user selects the operating mode "steel construction" and specifies the type of screw connections 52.
  • the setting process is accomplished with a three-phase tightening of the screw 52.
  • a first phase S1 is used to analyze the screw 52 and the structural elements 51, 52. Based on the analysis, a target torque MO and a final rotation angle f are set.
  • the impact wrench 1 exerts blows on the screw connection 52 until an estimated torque M reaches the setpoint torque M.
  • a final third phase S3 the screw 52 is still tightened by the final angle of rotation f.
  • 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 is disconnected from the power supply, e.g. the battery 6, disconnected and does not turn.
  • 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.
  • a first phase S1 of the setting process begins the first beat of the percussion mechanism 3.
  • the impact wrench 1 exerts a predetermined number N1 of strokes.
  • the predetermined number N1 may be predetermined by the selected type of screw 52.
  • the screw 52 is tightened by the blows by a rotation angle F.
  • the nut 56 is rotated relative to the threaded rod 55 by the rotation angle F.
  • the angle of rotation F is in addition to the screw 52 and the construction elements 50, 51 dependent.
  • An estimation routine S4 compares the course 59 of the rotation angle f over time t with a pattern 60 (FIG. 5).
  • the pattern 60 is a typical course of the rotation angle determined from test series.
  • the test series are carried out under different boundary conditions, e.g. different fastening elements, different prestressing of the fastening elements, etc.
  • the pattern 60 has four to six degrees of freedom, which prove to be sufficient for classifying the different boundary conditions in steel construction.
  • the patterns 60 may be deposited to the threaded connection 52 as a control parameter.
  • a preselection of the possible patterns 60 or a restriction of the degrees of freedom or the values of the parameters for the degrees of freedom depending on the preselected type of screw connection 52 can increase the reliability in the selection of the pattern 60 or adaptation of the pattern 60 and the associated computation effort to reduce.
  • Fig. 5 shows an example of a course 59 in which the construction elements 51 lie flat on one another.
  • the estimation routine determines the current boundary condition by adjusting the pattern 60 to the previous profile 59 of the rotation angle during the current setting process.
  • the preferred pattern 60 has three sections: a beginning 60, a middle 61 and an end 62.
  • the beginning has a linear course with a first slope.
  • the end has a linear course with a second slope, which is less than the first slope.
  • the center 61 is described, for example, by an exponential function with monotonically decreasing slope. Alternatively, 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. Since the computing power of impact wrench 1 is limited, 52 value ranges for the two gradients can for each type of screw or their associated degrees of freedom, be given. The value ranges are determined by test series and are stored in the specified parameters.
  • the estimation routine S4 preferably records the angle of rotation f over time, starting with the first beat t0, in order to obtain measuring points for the comparison.
  • a measuring point contains the measured angle of rotation f and the associated time t.
  • the angle of rotation f can be estimated based on the angle of rotation of the drive spindle 15 between successive turns.
  • the angle of rotation f of the socket 18 differs from the angle of rotation of the drive spindle 15 by the angle between the jaws 12 of the hammer 10 multiplied by the number of beats.
  • Time recording can be approximated by a chronological recording of the angles of rotation f.
  • the measuring points can be stored in a buffer.
  • the estimation routine S4 adapts the pattern 60 after the predetermined number N1 of spin strikes. The number is large enough to get a good fit.
  • the estimation routine S4 is completed when a deviation of the pattern 60 from the measurement points is within a predetermined tolerance. If, after the predetermined number of turns or given duration, a deviation of the pattern is outside a tolerance or the minimum number of measuring points for the end of the pattern is exceeded, an error message is issued and the setting process is aborted.
  • Each of the patterns 60 is assigned a target torque MO and a final rotation angle cp.
  • the target torque MO and the final rotation angle cp may be stored as a value or calculated from the pattern 60.
  • the threshold MO is typically less than the setpoint torque M9 for the threaded connection 52 when tightened by hand.
  • the electric motor 2 rotates the drive spindle 15 preferably at the predetermined rotational speed Do.
  • the control unit 24 can for example determine the rotational speed D of the drive spindle 15 directly with a rotational sensor 45 on the drive spindle 15 or indirectly via a rotational sensor on the electric motor 2.
  • the rotational speed Do is one of the screw 52 associated control parameters. 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.
  • a rotation angle dF is determined by which the output spindle 4 rotates due to the rotation.
  • the output torque M corresponds to the transmitted angular momentum and the angle of rotation dF, 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 dF torque M or a torque describing size.
  • the angle of rotation dF 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 may estimate the rotational angle dF of the output spindle 4 based on the rotational movement of the drive spindle 15 between two consecutive rotational strokes.
  • 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 rotated, in addition to the rotation angle dF 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, detect the increased short-term vibration in the impact wrench 1 associated with the rotary impact.
  • 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 power consumption rises briefly during the rotary impact.
  • the angle of rotation of the drive spindle 15, for example, from the speed D or the signals of Rotation sensor 45 and the period are calculated.
  • the rotational angle dF of the output spindle 4 is determined as the rotational angle of the drive spindle 15 minus the angular distance of the claws 12.
  • the second phase S2 is terminated when the estimated torque M exceeds the target torque MO previously determined via the pattern 60.
  • the second phase S2 is followed by a third phase S3, in which the screw connection 52 is still rotated by the final angle of rotation cp.
  • the progress of the rotation angle during the third phase S3 can be estimated.
  • the impact wrench 1 stops tightening when the estimated rotation angle during the third phase S3 has reached the final rotation angle cp.
  • a final number N2 of impacts may also be performed during the third phase S3.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Details Of Spanners, Wrenches, And Screw Drivers And Accessories (AREA)

Abstract

Ein Steuerungsverfahren eines Schlagschraubers (1) zum Anziehen einer Schraubverbindung (52) führt ansprechend auf ein Betätigen eines Tasters (9) eine Sequenz mit den aufeinanderfolgenden Phasen aus. In einer ersten Phase übt ein Schlagwerk (3) des Schlagschraubers (1) eine vorgegebene Anzahl N1bz von Drehschlägen auf die Schraubverbindung (52) aus. Während der ersten Phase S1bz wird ein Verlauf eines Drehwinkels Φ über die Zeit (t) geschätzt. Ein Muster wird an den Verlauf angepasst und basierend auf dem Muster wird für eine zweite Phase S2bz ein Soll-Drehmoment M0bz und für eine dritte Phase S3bz ein abschließender Drehwinkel oder eine abschließende Anzahl von Schlägen ermittelt. Während der zweiten Phase (S2) werden Drehschläge ausgeübt, bis ein geschätztes Drehmoment Mbz das Soll-Drehmoment M0bz erreicht. Während der dritten Phase S3bz werden auf die Schraubverbindung Drehschläge ausgeübt, bis eine Anzahl der Drehschläge der abschließenden Anzahl N3bz oder ein Drehwinkel dem abschließenden Drehwinkel entspricht.

Description

Setzverfahren für Spreizanker mittels Schlagschrauber
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Setzverfahren für Spreizanker, welches als Steuerungsverfahren für einen Schlagschrauber implementiert ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Steuerungsverfahren eines Schlagschraubers (1 ) zum Anziehen einer Schraubverbindung (52) führt ansprechend auf ein Betätigen eines Tasters (9) eine Sequenz mit den aufeinanderfolgenden Phasen aus. In einer ersten Phase übt ein Schlagwerk (3) des Schlagschraubers (1 ) eine vorgegebene Anzahl N1 von Drehschlägen auf die Schraubverbindung (52) aus. Während der ersten Phase S1 wird ein Verlauf eines Drehwinkels F über die Zeit (t) geschätzt. Ein Muster wird an den Verlauf angepasst und basierend auf dem Muster wird für eine zweite Phase S2 ein Soll-Drehmoment MO und für eine dritte Phase S3 ein abschließender Drehwinkel oder eine abschließende Anzahl von Schlägen ermittelt. Während der zweiten Phase (S2) werden Drehschläge ausgeübt, bis ein geschätztes Drehmoment M das Soll-Drehmoment MO erreicht. Während der dritten Phase S3 werden auf die Schraubverbindung Drehschläge ausgeübt, bis eine Anzahl der Drehschläge der abschließenden Anzahl N3 oder ein Drehwinkel dem abschließenden Drehwinkel entspricht.
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 eine Schraubverbindung von zwei Stahlplatten
Fig. 4 eine Schraubverbindung von zwei Stahlplatten
Fig. 5 einen Verlauf eines Drehwinkels
Fig. 6 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
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 19 mit einem quadratischen hohlen Querschnitt, der in seinen Maßen im Wesentlichen dem Werkzeughalter 17 entspricht. Der Buchse 19 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.
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.
Fig. 3 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.
Die Konstruktionselemente 50, 51 liegen gelegentlich nicht plan aufeinander, wie beispielhaft in Fig. 4 illustriert. Während des Anziehens der Schraubverbindung 52 verformen sich die Konstruktionselemente 51. Das rückwirkende Drehmoment der Schraubverbindung 52 ist somit nicht nur von dem Schraubentyp, sondern auch von den Konstruktionselementen 51 und deren aktuellen Vorspannung abhängig. Bei einem manuellen Anziehen ergeben sich hierdurch in der Regel keine zusätzlichen Schwierigkeiten, da der Anwender sieht, ob die Konstruktionselemente 50, 51 schon plan aufeinander liegen.
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.
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. Der Anwender kann die Schraubverbindungen 52 mit dem Schlagschrauber 1 anziehen. Der Anwender wählt hierzu den Betriebsmodus„Stahlbau“ aus und spezifiziert den Typ der Schraubverbindungen 52.
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. Eine weitere Problematik ergibt sich durch die während des Anziehens verformenden Konstruktionselemente 50, 51. Deren Einfluss auf das Drehmoment, den Drehfortschritt etc., ist a priori nicht bekannt.
Das Setzverfahren behilft sich mit einem drei-phasigen Anziehen der Schraubverbindung 52. Eine erste Phase S1 dient einer Analyse der Schraubverbindung 52 und der Konstruktionselemente 51 , 52. Basierend auf der Analyse werden ein Soll-Drehmoment MO und ein abschließender Drehwinkel f festgelegt. Während einer anschließenden zweiten Phase S2 übt der Schlagschrauber 1 solange Schläge auf die Schraubverbindung 52 aus, bis ein geschätztes Drehmoment M das Soll-Drehmoment M erreicht. In einer abschließenden dritten Phase S3 wird die Schraubverbindung 52 noch um den abschließenden Drehwinkel f angezogen.
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. Eine erste Phase S1 des Setzverfahrens beginnt dem ersten Schlag des Schlagwerks 3. Während der ersten Phase S1 übt der Schlagschrauber 1 eine vorgegebene Anzahl N1 von Schlägen aus. Die vorgegebene Anzahl N1 kann durch den ausgewählten Typus der Schraubverbindung 52 vorgegeben sein. Die Schraubverbindung 52 wird durch die Schläge um einen Drehwinkel F angezogen. In dem obigen Beispiel wird die Schraubenmutter 56 gegenüber der Gewindestange 55 um den Drehwinkel F gedreht. Der Drehwinkel F ist neben der Schraubverbindung 52 auch von den Konstruktionselementen 50, 51 abhängig.
Eine Schätzroutine S4 vergleicht den Verlauf 59 des Drehwinkels f über die Zeit t mit einem Muster 60 (Fig. 5). Das Muster 60 ist ein aus Versuchsreihen ermittelter typischer Verlauf des Drehwinkels. Die Versuchsreihen sind unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt, z.B. unterschiedliche Befestigungselemente, unterschiedliche Vorspannung der Bestigungselemente, etc.. Das Muster 60 hat vier bis sechs Freiheitsgrade, welche sich als ausreichend zum Klassifizieren der unterschiedlichen Randbedingungen im Stahlbau erweisen. Die Muster 60 können zu der Schraubverbindung 52 als Steuerungsparameter hinterlegt sein. Eine Vorauswahl der möglichen Muster 60 bzw. eine Beschränkung der Freiheitsgrade bzw. der Werte der Parameter für die Freiheitsgrade in Abhängigkeit des vorab ausgewählten Typus der Schraubverbindung 52 kann die Zuverlässigkeit in der Auswahl des Musters 60 bzw. Anpassung des Musters 60 erhöhen und den zugehörigen Rechenaufwand reduzieren.
Fig. 5 zeigt beispielhaft einen Verlauf 59 bei welchem die Konstruktionselemente 51 plan aufeinanderliegen. Die Schätzroutine ermittelt die aktuelle Randbedingung durch Anpassen des Musters 60 an den bisherigen Verlauf 59 des Drehwinkels während des laufenden Setzvorgangs. Das bevorzugte Muster 60 hat drei Abschnitte: einen Anfang 60, eine Mitte 61 und ein Ende 62. 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 61 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. Da die Rechenleistung des Schlagschraubers 1 begrenzt ist, können für jeden Typ von Schraubverbindungen 52 Wertebereiche für die beiden Steigungen bzw. deren zugehörigen Freiheitsgrade, vorgegeben sein. Die Wertebereiche werden durch Versuchsreihen ermittelt und sind in den vorgegebenen Parametern hinterlegt.
Die Schätzroutine S4 zeichnet vorzugsweise beginnend mit dem ersten Schlag tO den Drehwinkel f über die Zeit auf, um Messpunkte für den Vergleich zu erhalten. Ein Messpunkt beinhaltet den gemessenen Drehwinkel f und den zugehörigen Zeitpunkt t. Der Drehwinkel f kann basierend auf dem Drehwinkel der Antriebsspindel 15 zwischen aufeinanderfolgenden Drehschlägen geschätzt werden. Der Drehwinkel f der Stecknuss 18 unterscheidet sich von dem Drehwinkel der Antriebsspindel 15 um den Winkel zwischen den Klauen 12 des Hammers 10 multipliziert mit der Anzahl der Schläge. Eine Zeiterfassung kann durch eine chronologische Aufzeichnung der Drehwinkel f approximiert werden. Die Messpunkte können in einem Zwischenspeicher abgelegt werden.
Die Schätzroutine S4 passt das Muster 60 nach der vorgegebenen Anzahl N1 von Drehschlägen an. Die Anzahl ist ausreichend groß bemessen, um eine guten Fit zu erhalten. Die Schätzroutine S4 wird abgeschlossen, wenn eine Abweichung des Musters 60 von den Messpunkten innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt. Falls nach der 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.
Jedem der Muster 60 ist ein Soll-Drehmoment MO und ein abschließender Drehwinkel cp zugeordnet. Das Soll-Drehmoment MO und der abschließende Drehwinkel cp können als Wert hinterlegt sein oder aus dem Muster 60 berechnet werden. Der Schwellwert MO ist typischerweise geringer als das Soll-Drehmoment M9 für die Schraubverbindung 52, wenn diese per Hand angezogen wird.
Während der zweiten Phase S2 dreht der Elektromotor 2 die Antriebsspindel 15 vorzugsweise mit der vorgegebenen Drehzahl Do. 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 Drehzahl Do ist einer der Schraubverbindung 52 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 zweiten Phase S2 wird ein Drehwinkel dF, um welchen sich die Abtriebsspindel 4 aufgrund des Drehschlags dreht ermittelt. Das abgegebene Drehmoment M entspricht dem übertragenen Drehimpuls und dem Drehwinkel dF, um welchen sich die Abtriebsspindel 4 aufgrund des Drehschlags dreht. Basierend auf dem ermittelten Drehwinkel dF 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 dF ein Drehmoment M oder eine das Drehmoment beschreibende Größe zuordnet.
Der Drehwinkel dF 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 dF 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 dF 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 dF der Abtriebsspindel 4 wird als der Drehwinkel der Antriebsspindel 15 abzüglich dem Winkelabstand der Klauen 12 bestimmt.
Die zweite Phase S2 wird beendet, wenn das geschätzte Drehmoment M den zuvor über das Muster 60 ermittelte Soll-Drehmoment MO überschreitet.
An die zweite Phase S2 schließt sich eine dritte Phase S3 an, in welcher die Schraubverbindung 52 noch um den abschließenden Drehwinkel cp gedreht wird. Der Fortschritt des Drehwinkels während der dritten Phase S3 kann geschätzt werden. Die Schlagschrauber 1 beendet das Anziehen, wenn der geschätzte Drehwinkel während der dritten Phase S3 den abschließende Drehwinkel cp erreicht hat. Alternativ kann statt einem abschließenden Drehwinkel auch eine abschließende Anzahl N2 von Schlägen während der dritten Phase S3 ausgeführt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Steuerungsverfahren eines Schlagschraubers (1 ) zum Anziehen einer
Schraubverbindung (52), welches ansprechend auf ein Betätigen eines Tasters (9) eine Sequenz mit den aufeinanderfolgenden Phasen ausführt:
eine erste Phase (S1 ), in weicher ein Schlagwerk (3) des Schlagschraubers (1 ) eine vorgegebene Anzahl (N1 ) von Drehschlägen auf die Schraubverbindung (52) ausübt, und während der ersten Phase (S1 ) ein Verlauf (59) eines Drehwinkels F über die Zeit (t) schätzt und ein Muster (60) an den Verlauf (59) angepasst werden und basierend auf dem Muster (60) für eine zweite Phase (S2) ein Soll-Drehmoment (MO) und für eine dritte Phase (S3) ein abschließender Drehwinkel oder eine abschließende Anzahl von Schlägen ermittelt werden,
die zweite Phase (S2), in welcher auf die Schraubverbindung (52) Drehschläge ausgeübt werden, bis ein geschätztes Drehmoment (M) das Soll-Drehmoment (MO) erreicht,
die dritte Phase (S3), in welcher auf die Schraubverbindung (52) Drehschläge ausgeübt werden, bis eine Anzahl der Drehschläge der abschließenden Anzahl (N3) oder ein Drehwinkel dem abschließenden Drehwinkel entspricht.
2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch kennzeichnet, dass das Muster (60) einen ersten Abschnitt (61 ) mit einer ersten Steigung und einen dem ersten Abschnitt (61 ) nachfolgenden zweiten Abschnitt (63) mit einer zweiten Steigung hat, wobei die zweite Steigung geringer als die erste Steigung ist.
3. Steuerungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch kennzeichnet, dass das Muster (60) einen dritten Abschnitt (62) mit einer kontinuierlich abnehmenden Steigung aufweist, wobei der dritte Abschnitt (62) zwischen dem ersten Abschnitt (61 ) und dem zweiten Abschnitt (63) angeordnet ist.
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