WO2006048420A1 - Verfahren zur steuerung eines anzugverhaltens einer schraubeinrichtung - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines anzugverhaltens einer schraubeinrichtung Download PDF

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WO2006048420A1
WO2006048420A1 PCT/EP2005/055692 EP2005055692W WO2006048420A1 WO 2006048420 A1 WO2006048420 A1 WO 2006048420A1 EP 2005055692 W EP2005055692 W EP 2005055692W WO 2006048420 A1 WO2006048420 A1 WO 2006048420A1
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screw
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Paul-Heinz Wagner
Bernd Thelen
Ulf Sittig
Günter Andres
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Paul-Heinz Wagner
Bernd Thelen
Ulf Sittig
Andres Guenter
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
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    • B23P19/04—Machines for simply fitting together or separating metal parts or objects, or metal and non-metal parts, whether or not involving some deformation; Tools or devices therefor so far as not provided for in other classes for assembling or disassembling parts
    • B23P19/06—Screw or nut setting or loosening machines
    • B23P19/065—Arrangements for torque limiters or torque indicators in screw or nut setting machines
    • B23P19/066—Arrangements for torque limiters or torque indicators in screw or nut setting machines by electrical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a tightening behavior of a screw device with a particular electric drive motor.
  • Known ringeinrften have an electric drive motor, which is connected via a transmission with a receiving device, which serves to receive the screwing tool, such as a nut.
  • a receiving device which serves to receive the screwing tool, such as a nut.
  • To tighten a screw for example, with a predetermined torque, it is known to determine output torques of the screw on the current consumption of the motor. In this case, however, the conditions of the individual rantfalls are not considered. In particular, the friction in the thread and under the screw head is different depending on the type of screw used, the length of the screw, etc. Another problem is the remaining after switching off the drive motor of the screw rotation energy, which leads to a further rotation of the screw even after switching off the screw.
  • a combination of the torque and the rotation angle is more suitable.
  • the joining torque or the tightening torque is chosen in this case so that all components are joined and with the rotation angle, the biasing force of the fferverb ⁇ ndung is generated.
  • a check may be performed.
  • the swept angle of rotation is used as a control parameter.
  • the torque can be used as a control.
  • a screw connection only has the required preload if both the required torque and the required rotation angle are within a predetermined tolerance range.
  • the rotation angle is measured here, the drive being switched off prematurely before reaching the required setpoint rotation angle, taking into account correction values determined in test runs, in order to achieve the desired setpoint torque and the desired setpoint angle within of a tolerance range.
  • This procedure requires the passage of test runs to determine correction values. It would thus be a variety of test runs required if a variety of different ringkitlc should be considered.
  • the object of the invention is to provide a method for controlling a tightening behavior of a screw, with the one Preselected torque and / or a preselected rotation angle in a simple manner, in particular without the provision of sensors on the output, can be achieved.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 or 8.
  • the monitoring of the torque takes place.
  • the current time change of the engine speed and the current engine torque is first determined. This can be done by a provided on the output shaft of the engine speed sensor.
  • a speed sensor an optical speed sensor is preferably provided in order to avoid interference caused by the electric field of the motor.
  • a current torque applied to the screw i. H. at the output or the tool holder of the screw occurs, determined.
  • the determination of the current torque occurring on the screw takes place as a function of the current time change of the engine speed and of the current torque.
  • a residual torque is determined.
  • the residual torque is the remaining torque that causes after the shutdown of the screwing the tracking.
  • the drive motor is switched off according to the invention upon reaching a Abschaltmoments, the Abschaltmoment is determined in dependence of the current torque and the residual torque.
  • the drive motor can be switched off according to the invention a time such that after the consumption of the residual torque, the screw has the required torque.
  • the rear torque is additionally determined as a function of the current engine speed.
  • the current time torque change is important. Since the change of the torque and not the actual magnitude of the torque is relevant, it can be determined directly on the engine as a delivered output torque.
  • the current torque on the screw in addition to the change over time of the engine speed and the current output from the engine torque is determined. This is preferably done as a function of the current engine speed.
  • the torque output by the engine may vary depending on the speed and the power supply, for. B. in the phase gating, are taken from a stored table. It is also possible to calculate the torque output by the engine based on the rotational speed and the moment of inertia.
  • the engine speed preferably only the engine speed has to be measured. Otherwise, only system characteristics, such as the gear ratio, the transmission efficiency, etc., are required for the calculation.
  • the selected torque preferably corresponds to the Fugemoment or is greater.
  • the control of the tightening behavior of a screw is done by the determination of the angle of rotation
  • the current angle of rotation is first determined.
  • a caster angle is determined as a function of the current time change of the rotation angle.
  • a shutdown of the drive motor is carried out according to the invention then upon reaching a cut-off angle.
  • the turn-off angle is determined as a function of the current rotation angle and the caster angle.
  • determination of the switch-off time of the drive motor is possible independently of sensors arranged on the output.
  • the predetermined rotation angle of the screw can be maintained exactly.
  • the caster angle is additionally determined as a function of the current engine speed, wherein the engine speed is again determined by means of a preferably optical sensor directly on the Abtr ⁇ ebswelle of the drive motor.
  • the current angle of rotation is determined from the number of revolutions possibly taking into account a transmission ratio.
  • a combination of the methods described above so that in a method for controlling the tightening behavior of a screwing a shutdown of the motor when reaching a Abschaltmoments and / or when reaching a turn-off occurs.
  • This makes it possible to take into account external influences.
  • an error message can be generated if the shutdown torque and / or the shutdown angle is not within a predetermined range.
  • a corresponding error message can also be made depending on the determinable torque or angle of rotation achieved after switching off.
  • the angle-dependent method has the advantage that in a combination of the two methods, it is only necessary to set the desired or required torque and the desired or required angle on the screw device. Carrying out preliminary tests, for example to determine a zero point or a joining moment, is not required. It is therefore not necessary to investigate the special screwing.
  • the end torque achieved is thus when using the method according to the invention regardless of the determination of a screw, which, depending on a variety of boundary conditions, is different for each screw.
  • a universal motor is used, as it is also used in commercial hand tools.
  • the motor is operated via a phase control.
  • a transmission gear is used to duplicate the engine torque.
  • the tracking of the screwdriver depends on the speed when switching off. If the preload of the screw is in the linear range of the stress-strain curve during screwing the increase of the torque per rotation angle section is the same. From this increase, the drop in torque can be determined after switching off. In order to derive such a control regulation, it is necessary to know the drive train with sufficient accuracy.
  • Equation (1.5) So the sum of the drive torque M 11 , the friction torque M 1 and the
  • Resistive torque M n which acts on the system via the load.
  • the dependence of the torque of such a drive on the voltage and the drive speed is utilized.
  • the output drive torque M I ⁇ i it is possible, for example, to store a table in a processor which contains empirically determined value of the engine torque.
  • a processor can determine the drive torque. The speed is currently being measured. The phase control is known.
  • Such a table can be determined from an acceleration curve of the drive.
  • a certain Phasenanroughsw ⁇ nkel is set and accelerates the drive from standstill to the final speed.
  • the moment available for the load at each operating point can be determined by the slope of the curve according to equation (1.6) given a known moment of inertia. In such a measurement, the internal friction of the drive and the attached gear is already taken into account and does not need to be measured separately.
  • Equation (l. ⁇ ) MJ J ⁇ "" dt T n
  • the current output torque can be determined at any time with Equation (1.7).
  • After-running of the screwdriver after switching off can be determined from the parameters of the screwing procedure (as in the torque mode). For this purpose, the moments are replaced by the corresponding rotation angle parameters.
  • An inventive screw device which is particularly suitable for carrying out the method described above, has an electric drive motor, which is connected via a transmission with a receiving device for receiving a screwing tool, such as a nut.
  • the electric drive motor is preferably a series-wound motor, as known from drilling machine drives.
  • the power is supplied to the screw.
  • the gear used is preferably a planetary gear "In a particularly preferred Embodiment is a speed sensor which is required for determining the instantaneous engine speed or for determining a change in the engine speed for performing the method according to the invention, designed as an optical sensor
  • the provision of an optical sensor has the advantage that, in contrast to inductive sensors, the motor magnetic field no has negative influences on the sensor signal.
  • the optical sensor can thus be arranged very close to the electric motor.
  • the light barrier is preferably a UV light barrier. This has the advantage that the light barrier is less prone to interference.
  • the necessary for controlling the screwdriver electronic assemblies are integrated in the handle of the screwdriver.
  • a We ⁇ t Schemesnetzteil preferably having a range of 80 V to 254 V, is provided.
  • the adjustment of the screwing parameters can take place via a graphic display, which preferably has a membrane keyboard or a touchscreen.
  • the parameters are structured via a menu guide.
  • the screw device preferably has a
  • Data transmission interface for example, an infrared interface, a Bluetooth interface or a USB interface.

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Abstract

Bei dem crfindungsgernäßen Verfahren zur Steuerung eines Anzugvcrhaltcns einer Schraubeinrichtung mit einem insbesondere elektrischen Antriebsmotor wird die aktuelle zeitliche Änderung der Motordrehzahl sowie das aktuelle Drehmoment bestimmt. Anschließend wird der aktuelle Drehmoment an der Schraube in Abhängigkeit der aktuellen zeitlichen Änderung der Motordrehzahl bestimmt. Danach wird der Restdrehmoment in Abhängigkeit der aktuellen zeitlichen Momentenänderung bestimmt und sodann der Antriebsmotor bei Erreichen eines Abschaltmoments abgeschaltet, wobei das Abschaltmoment in Abhängigkeit des aktuellen Drehmoments und des Restdrehmoments bestimmt wird.

Description

Verfahren zur Steuerung eines Anzuqverhaltens einer Schraubeinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Anzugverhaltens einer Schraubeinrichtung mit einem insbesondere elektrischen Antriebsmotor.
Bekannte Schraubeinrϊchtungen weisen einen elektrischen Antriebsmotor auf, der über ein Getriebe mit einer Aufnahmeeinrichtung verbunden ist, die zur Aufnahme des Schraubwerkzeugs, beispielsweise einer Schraubennuss, dient. Um eine Schraube beispielsweise mit einem vorgegebenen Drehmoment anzuziehen, ist es bekannt, Abtriebsdrehmomente der Schraubeinrichtung über die Stromaufnahme des Motors zu bestimmen. Hierbei werden jedoch die Bedingungen des einzelnen Schraubfalls nicht berücksichtigt. Insbesondere die Reibung im Gewindegang und unter dem Schraubenkopf ist je nach Art der verwendeten Schraube, der Länge der Schraube etc. unterschiedlich. Ein weiteres Problem ist die nach dem Abschalten des Antriebsmotors der Schraubeinrichtung verbleibende Rotationsenergie, die auch nach dem Abschalten der Schraubeinrichtung zu einem Weiterdrehen der Schraube fuhrt.
Zwar wird der Motor bei einem bestimmten Strom abgeschaltet, aber je nach Schraubfall wirkt sich die Rotationsenergie unterschiedlich auf das Stillstandsdrehmoment aus. Die zum Zeitpunkt des Abschaltens in der Schraubeinrichtung gespeicherte Energie wird je nach „Widerstand der Schraube" in eine Drehmomenterhöhung oder einen Weiterdrehwinkel umgewandelt.
Hieraus ergibt sich die Konsequenz, dass die Stromaufnahme dos Motors nicht grundsätzlich (unabhängig vom Schraubfall) einem Abtrϊebsmoment zugeordnet werden kann. In der Praxis muss die Schraubeinrichtung auf den einzelnen Schraubfall eingemessen werden. Für den Hersteller einer solchen Schraubeinrϊchtung bedeutet dies, dass die Angabe des Drehmomentbereiches sich auf einen Referenzschraubfall bezieht oder für jeden Schraubfall des Anwenders eine Zuordnung der Schraubereinstellung bestimmt werden muss. Verändern sich die Bedingungen, bei denen die Schraubeinrichtung eingestellt wurde, wird auch das Ergebnis beeinflusst.
Auf Grund des Nachlaufens der Schraubeinrichtung ist das exakte Anzugsdrehmoment der Schraube nicht bekannt und kann je nach Schraubfall stark variieren.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Drehzahl des Motors beim Abschalten möglichst klein zu halten, so dass das Nachlaufen verringert ist. Hierdurch wurde sich jedoch die Schraubzeit verlängern.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, am Abtrieb der Schraubeinrichtung, d. h„ an der Werkzeugaufnahme einen Drehmoment und/ oder einen Drehwinkelsensor vorzusehen. Die Sensorsϊgnale müssen sodann an eine Steuerung übertragen und von dieser verarbeitet werden. Hierbei kann die beim Abschalten der Schraubeinrichtung verbleibende Rotationsenergie berücksichtigt werden. Durch einen entsprechenden Abzug vom Soll- Drehmoment wird das Abschaltdrehmoment bestimmt. Derartige Schraubeinrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass im Bereich des Abtriebs empfindliche Sensoren vorgesehen sein müssen, die entsprechend geschützt werden müssen. Ferner ist es erforderlich, zur Übertragung der Sensorsigπale im Bereich rotierender Teile Datenubertragungskabel vorzusehen. Derartige Schraubeinrichtungen sind daher störanfällig.
Da die Bestimmung des Anzugsdrehmomentes stark von Reϊbeinflüssen abhängig ist, ist es ferner bekannt, anstatt der Bestimmung des Drehmoments den Drehwinkel zu bestimmen. Auf Grund des Drehwinkels kann eine Längenänderung der Schraube, die eine Vorspannkraft erzeugt, definiert werden. Die Bestimmung des Drehwinkels ist unabhängig von Reibwerten, die beispielsweise im Gewinde oder unter dem Schraubenkopf auftreten. Auf Grund von Setzungserscheinungen und Klaffungen, die auf die Erzeugung der Vorspannkraft Einfluss haben, ist es jedoch nicht ausreichend, die Vorspannung allein über den Drehwinkel zu bestimmen. Durch auftretende Setzungen wird die geforderte Längenänderung der Schraube, die drehproportional zur Vorspannkraft ist, verringert. Bei dem Vorspannen über den Drehwinke! muss somit sichergestellt sein, dass die zu verspannenden Bauteile gefugt sind.
Um eine möglichst definierte Vorspannkraft zu erzeugen, ist somit eine Kombination aus dem Drehmoment und dem Drehwinkel besser geeignet. Das Fügemoment bzw. das Anzugsmoment wird hierbei so gewählt, dass alle Bauteile gefügt sind und mit dem Drehwinkel die Vorspannkraft der Schraubverbϊndung erzeugt wird.
Wenn die Kombination aus Drehmoment und Drehwinkel in einem Arbeitsgang durchgeführt wird, kann ferner eine Kontrolle durchgeführt werden. Hierbei wird beim Vorspannen einer Schraubverbindung mittels Drehmoment der überstrichene Drehwinkel als Kontrollparameter genutzt. Ebenso kann beim Vorspannen mittels Drehwinkel das Drehmoment als Kontrolle genutzt werden. Eine Schraubverbindung hat nur dann die geforderte Vorspannung, wenn sowohl das erforderliche Drehmoment als auch der geforderte Drehwinkel innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs lägen. Eine Schraubeinrichtung, in der sowohl das Drehmoment als auch der Drehwinkel berücksichtigt werden, ist beispielsweise in DE 101 33 923 beschrieben. Bei der hier beschriebenen Schraubeinrichtung wird die Schraube zunächst unter Messung des Drehmoments angezogen, bis ein Fügemoment erreicht ist. Anschließend erfolgt ein Weiterdrehen der Schraube um einen vorgegebenen DrehwϊnkeL Der Drehwinkel wird hierbei gemessen, wobei vor Erreichen des geforderten Soll-Drehwinkels unter Berücksichtigung von in Probeläufen ermittelten Korrekturwerten der Antrieb vorzeitig abgeschaltet wird, um das gewünschte Soll-Drehmoment und den gewünschten Soll-Winkel innerhalb eines Toleranzbereichs zu treffen. Bei diesem Verfahren ist das Durchfuhren von Probeläufen zur Ermittlung von Korrekturwerten erforderlich. Es wäre somit eine Vielzahl von Probeläufen erforderlich, wenn eine Vielzahl unterschiedlicher Schraubfällc berücksichtigt werden soll.
Ferner ist es aus DE 40 33 494 bekannt, für die Winkelmessung einen Nullpunkt zu bestimmen. Ausgehend von diesem Nullpunkt wird anhand von durchgeführten Vorversuchen ein zu erwartender Nachlaufwinkel bestimmt und sodann ein Anzugswinkel festgelegt. Voraussetzung dieses Verfahrens ist somit ein aufwändiges Bestimmen eines Nullpunkts sowie das Durchfuhren von Vorversuchen zur Bestimmung des IMachlaufwinkels. Der Nullpunkt ist hierbei derjenige Winkel, an dem ein Fugen der Bauteile erfolgt ist. Hierbei ist insbesondere auch zu berücksichtigen, dass in der diesem Verfahren zu Grunde liegenden Theorie davon ausgegangen wird, dass es sich bei den zu fugenden Teilen um im Wesentlichen einfach zu fügenden Teile handelt, die eine ebene Oberfläche aufweisen. Dies ist beispielsweise im Stahlbau der Fall, da im Stahlbau große Toleranzen auftreten. Dies ist beispielsweise auch bei oberflächenbehandelten Teilen der FaIi. Im Stahlbau ist dieses Verfahren daher nicht einsetzbar, da der hier definierte Nullpunkt bei schwer zu fügenden Teilen nicht denjenigen Punkt bezeichnen würde, in dem die Teile gefügt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines Anzugverhaltens einer Schraubeinrichtung zu schaffen, mit dem ein vorgewähltes Drehmoment und/ oder ein vorgewählter Drehwinkel auf einfache Weise, insbesondere ohne das Vorsehen von Sensoren am Abtrieb, erreicht werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 8.
Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Anzugverhaltens einer Schraubeinrϊchtung erfolgt die Überwachung des Drehmoments. Hierzu wird zunächst die aktuelle zeitliche Änderung der Motordrehzahl sowie das aktuelle Motordrehmoment ermittelt. Dies kann durch einen an der Abtriebswelle des Motors vorgesehenen Drehzahlsensor erfolgen. Als Drehzahlsensor ist vorzugsweise ein optischer Drehzahlsensor vorgesehen, um durch das elektrische Feld des Motors hervorgerufenen Störungen zu vermeiden. Ferner wird ein aktuelles Drehmoment, das an der Schraube, d. h. am Abtrieb bzw. der Werkzeugaufnahme der Schraubeinrichtung auftritt, bestimmt. Hierbei erfolgt die Bestimmung des aktuellen an der Schraube auftretenden Drehmoments in Abhängigkeit der aktuellen zeitlichen Änderung der Motordrehzahl sowie des aktuellen Drehmoments Erfindungsgemäß wird ein Restdrehmoment bestimmt. Bei dem Restdrehmoment handelt es sich um das verbleibende Drehmoment, das nach dem Abschalten der Schraubeinrichtung das Nachlaufen hervorruft. Hierbei erfolgt erfindungsgemäß die Bestimmung des Restdrehmoments in Abhängigkeit der aktuellen, d. h. momentanen zeitlichen Momentenänderung. Der Antriebsmotor wird erfindungsgemäß bei Erreichen eines Abschaltmoments abgeschaltet, wobei das Abschaltmoment in Abhängigkeit des aktuellen Drehmoments und des Restdrehmoments bestimmt wird.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Bestimmung des zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich an der Schraube auftretenden Drehmoments und des insbesondere auf Grund von Trägheitsmomenten hervorgerufenen Restdrehmoments ist erfindungsgemäß ein Abschalten des Antriebsmotors zu einem Zeitpunkt derart möglich, dass nach dem Verbrauchen des Restdrehmoments die Schraube das geforderte Drehmoment aufweist. Erfindungsgemäß ist es hierbei möglich, sowohl das Restdrehmoment als auch das aktuell an der Schraube vorhandene Drehmoment ohne am Abtrieb vorgesehene Sensoren zu bestimmen. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung auf Grund bekannter bzw. gemessener Daten und auf Grund unmittelbar am Antriebsmotor vorgenommenen Messungen, insbesondere der Messung der aktuellen Motordrehzahl in Abhängigkeit der Zeit.
Vorzugsweise wird das Rcstdrehmoment zusätzlich in Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl bestimmt. Zur Bestimmung des Restdrehmoments ist insbesondere die aktuelle zeitliche Momentenänderung von Bedeutung. Da die Änderung des Moments und nicht die tatsächliche Größe des Moments relevant ist, kann diese unmittelbar am Motor als abgegebenes Abtriebsmoment ermittelt werden.
Vorzugsweise wird zur Bestimmung des aktuellen Drehmoments an der Schraube neben der zeitlichen Änderung der Motordrehzahl auch das aktuelle vom Motor abgegebene Drehmoment bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl.
Das vom Motor abgegebene Drehmoment kann in Abhängigkeit der Drehzahl und der Energiezufuhr, z. B. bei dem Phasenanschnitt, aus einer hinterlegten Tabelle entnommen werden. Es ist ebenso möglich, das vom Motor abgegebene Drehmoment auf Grundlage der Drehzahl und des Trägheitsmoments zu berechnen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung des Anzugsverhaltens einer Schraubverbindung durch Überwachung des Drehmoments muss vorzugsweise nur die Motordrehzahl gemessen werden. Ansonsten sind für die Berechnung nur System-Kenngrößen, wie beispielsweise die Getriebeübersetzung, der Getriebewirkungsgrad etc erforderlich. Insbesondere ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, einen Nullpunkt oder ein Fugemoment zu messen Vielmehr wird der Antrieb bzw. die Schraubeinrichtung auf ein gewünschtes Anzugsdrehmoment eingestellt, das mit Hilfe des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens sodann erzielt wird. Hierbei entspricht das gewählte Drehmoment vorzugsweise dem Fugemoment oder ist größer.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform erfolgt die Steuerung des Anzugsverhaltens einer Schraubeinrichtung durch die Bestimmung des Drehwinkels Hierzu wird zuerst der aktuelle Drehwinkel bestimmt. Ferner wird ein Nachlaufwinkel in Abhängigkeit der aktuellen zeitlichen Änderung des Drehwinkels bestimmt. Ein Abschalten des Antriebsmotors erfolgt erfindungsgemäß sodann bei Erreichen eines Abschaltwinkels. Erfindungsgemäß wird der Abschaltwinkel in Abhängigkeit des aktuellen Drehwinkels und des Nachlaufwinkels bestimmt. Auch bei dieser bevorzugten Ausfuhrungsform ist ein Bestimmen des Abschaltzeitpunktes des Antriebsmotors unabhängig von am Abtrieb angeordneten Sensoren möglich. Insbesondere auf Grund der Berücksichtigung des Nachlaufwinkels kann der vorgegebene Drehwinkel der Schraube exakt eingehalten werden.
Vorzugsweise wird der Nachlaufwinkel zusätzlich in Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl bestimmt, wobei die Motordrehzahl wiederum mit Hilfe eines vorzugsweise optischen Sensors unmittelbar an der Abtrϊebswelle des Antriebsmotors ermittelt wird.
Vorzugsweise wird der aktuelle Drehwinkel aus der Anzahl der Umdrehungen ggf. unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses bestimmt.
Besonders bevorzugt ist eine Kombination der vorstehend beschriebenen Verfahren, so dass bei einem Verfahren zur Steuerung des Anzugverhaltens einer Schraubeinrichtung ein Abschalten des Motors bei Erreichen eines Abschaltmoments und/ oder bei Erreichen eines Abschaltwinkels erfolgt. Hierdurch ist es möglich, äußere Einflüsse zu berücksichtigen. Insbesondere kann eine Fehlermeldung erzeugt werden, wenn das Abschaltmoment und/ oder der Abschaltwinkel nicht innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Eine entsprechende Fehlermeldung kann selbstverständlich auch in Abhängigkeit des bestimmbaren, nach dem Abschalten erzielten Drehmoments bzw. Drehwinkels erfolgen.
Zusätzlich zu den Vorteilen des drehmomentabhängigen Verfahrens weist das winkelabhängige Verfahren den Vorteil auf, dass es bei einer Kombination der beiden Verfahren lediglich erforderlich ist, das gewünschte bzw. geforderte Drehmoment sowie den gewünschten bzw. geforderten Winkel an der Schraubeinrichtung einzustellen. Das Durchfuhren von Vorversuchen, beispielsweise zur Bestimmung eines Nullpunkts oder eines Fügemoments, ist nicht erforderlich. Es ist insofern auch nicht erforderlich, den speziellen Schraubfall zu untersuchen. Das erreichte Enddrehmoment ist somit bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unabhängig von der Ermittlung einer Schraubkurve, die, in Abhängigkeit einer Vielzahl von Randbedingungen, für jeden Schraubfall unterschiedlich ist.
Besonders bevorzugt ist es, bei Einstellung eines geforderten Drehmoments sowie eines geforderten Drehwinkels mit Hilfe des zuerst beschriebenen drehmomentabhängigen Verfahrens zunächst das geforderte Drehmoment in der Schraubverbindung zu erzeugen und die Schraube sodann um den geforderten Winkel weiterzudrehen.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Berechnungsformeln an Hand einer bevorzugten Ausführungsform detailliert erläutert:
Beim Anziehen einer Schraubverbindung soll eine Vorspannkraft in der Schraube erzeugt werden. Dies geschieht über die Längendehnung der Schraube, Bei z. B einer Schraube M36 mit einer Steigung von 4mm ergibt sich eine Längenänderung um 0,011 mm/°. Um diese Längenänderung durchzuführen ist eine Vorspannkraft bzw. ein entsprechendes Drehmoment bzw. Drehwinkei erforderlich. Schrauben mit gleichem Gewinde aber verschiedenen Längen benötigen zum erreichen der gleichen Vorspannkraft unterschiedliche Längendehnungen, gemäss
Gleichung (1.0) Δ/ = :(VV!H
A E
Al = Längenänderung
F1 = Vorspannkraft
/0 = Klemmlänge is = Spannungsquerschnitt
R - Elastizitätsmodul
Demzufolge besteht beim Verschrauben ein direkter Zusammenhang zwischen Vorspann kraft, Drehwinkel und Steigung des Gewindes.
Gleichung (l„ l)
Figure imgf000010_0001
a - Drehwinkel
P = Gewindesteigung
Beim Vorspannen einer Schraubverbindung mittels Drehwinkel hat Reibung keinen Einfluss auf die erreichte Vorspannkraft. Beim Vorspannen einer Schraubverbindung mittels Drehmoment hat Reibung Einfluss auf die erreichte Vorspannkraft, wobei Gewindereϊbung und Kopfreibung die entscheidenden Einflussfaktoren sind. Hinzu kommt, dass die Reibbeiwerte sehr stark schwanken. Die Reibbeiwerte sind abhängig von z.B. Schmierzustand der Schraubverbindung, Werkstoffpaarung, Oberflächenbeschaffenheit etc. Dies wird durch die Gleichung ( 1.3) zu Berechnung des erforderlichen Drehmomentes zur Erzeugung der Vorspannkraft deutlich. d,
Gleichung (1.3) K, = /<Ϊ V7h t t mani (\<φp --\- p ) + Mκ
2
M Anzugsmoment der Schraube
*™ Montage- Vorspannkraft der Schraube
<*1 Flankendurchmesser des Gewindes φ Steigungswinkel des Gewindes p Reϊbungswinkel des Gewindes Reibungszahl für die Auflagefläche wirksamer Reibungsdurchmesser in der Schraubkopf¬ oder Mutterauflage
Bei Annahme eines mittleren Reibbeiwertes von 0,14 lässt sich an Hand dieser Gleichung leicht erkennen, dass nur etwa 10% des Drehmomentes zur Erzeugung der Vorspann kraft genutzt werden können.
Zum Einsatz kommt beispielsweise ein Universalmotor, wie er auch in handelsüblichen Handwerkzeugen eingesetzt wird. Der Motor wird über eine Phasenanschnittsteuerung betrieben. Zur Vervielfältigung des Motordrehmomentes wird ein Übersetzungsgetriebe verwendet.
Hinzu kommt noch das Drehmoment aus der gespeicherten Rotationsenergie im System. Dieses Drehmoment kann aus dem Drehzahlabfall beim Schrauben berechnet werden. Beide aktuellen Drehmoment-Werte ergeben am Schrauber bei bekanntem Übersetzungsverhältnis und Wirkungsgrad ein entsprechendes Abtriebsmoment.
Das Nachlaufen des Schraubers ist abhängig von der Drehzahl beim Abschalten. Befindet sich die Vorspannung der Schraube während des Schraubens im linearen Bereich der Spannungs -Dehnungs -Kennlinie so ist der Anstieg des Drehmomentes pro Drehwinkelabschnitt gleich. Aus diesem Anstieg ist der Abfall des Drehmomentes nach Abschalten bestimmbar. Zur Ableitung einer solchen Steuerungsvorschrift ist es erforderlich, den Antriebsstrang ausreichend genau zu kennen.
Allgemein gilt für ein rotierendes mechanisches System : dΩ
Gleichung (1.4) A4 = £ A/, - ./ d/
dΩ
= Winkelgeschwindigkeϊtsänderung d/
^ M, = Summe aller Momente
J = Trägheitsmoment
Die Gleichung bedeutet, dass die Winkelbeschleunigung des Systems proportional zur Summe der Momente am System ist. Proportionalitätsfaktor ist das Trägheitsmoment J Die Summe aller Momente ist
Gleichung (1.5)
Figure imgf000012_0001
also die Summe des Antriebsmoments M11 , des Reibmoments M1 und des
Widerstandsmoments Mn, , das über die Last auf das System wirkt.
Da sich der Rotor mit einer wesentlich höheren Drehzahl als das gesamte mechanische System droht, spielt dieser für das gesamte Trägheitsmoment die entscheidende Rolle.
Für die Bestimmung des Maschinenmoments wird die Abhängigkeit des Moments eines solchen Antriebs von der Spannung und der Antriebsdrehzahl ausgenutzt, Für die Bestimmung des abgegebenen Antriebsmoment MIΛi kann z B: eine Tabelle in einem Prozessor hinterlegt werden, die empirisch ermittelte Wert des Motordrehmomentes enthält. Mit Hilfe der beiden Dimensionen „Drehzahl" und „Phasenanschnitt" kann z.B. ein Prozessor das Antriebsmoment bestimmen. Die Drehzahl wird aktuell gemessen . Der Phasenanschnitt ist bekannt. Eine solche Tabelle kann aus einer Beschleunigungskurve des Antriebs ermittelt werden. Hierbei wird ein bestimmter Phasenanschnittswϊnkel eingestellt und der Antrieb vom Stillstand auf die Enddrehzahl beschleunigt. Aus dem sich ergebenden Verlauf der Drehzahl über die Zeit lässt sich bei bekanntem Trägheitsmoment das für die Last in jedem Betriebspunkt verfügbare Moment über die Steigung der Kurve nach Gleichung (1.6) ermitteln. Bei einer solchen Messung ist die innere Reibung des Antriebs und des angebauten Getriebes bereits berücksichtigt und braucht nicht gesondert vermessen zu werden.
dn
Gleichung( l.δ) M J = J Ω"" dt Tn
J Trägheitsmoment dΩ
Winkelgeschwindigkeitsänderung
Leerlaufwinkelgeschwindigkeit
Somit kann das aktuelle Abtriebsdrehmoment zu jedem Zeitpunkt mit Gleichung ( 1.7) bestimmt werden.
Figure imgf000013_0001
Gleichung (1.7) MO = 7IM1U-IK - U M,m '- Λ,, " 2tf - ώ
M0 aktuelles Drehmoment an der Schraube
'Ja,;,,,-;,, Wirkungsgrad des Getriebes
Mem abgegebenes Antriebsmoment
J,vκ Trägheitsmoment des gesamten Antriebs (ermittelt im Versuch) Ü Übersetzungsverhältnis des Getriebes
Drehzahlabfall
Beim Anziehen einer Verschraubung muss das Verschraubungswerkzeug bei einem gewähltem Drehmoment zum Stillstand kommen . Da die gespeicherte Rotatϊonsenergie im System, die Schraube solange weiterdreht bis die Energie aufgebraucht ist, muss der Schrauber vorher abgeschaltet werden. Der Drehmomentanstieg nach dem Abschalten des Schraubers, wird aus Drehmoment und Drehzahlverhalten nach Gleichung (1.8) beim Schraubvorgang ermittelt.
Gleichung (1.8) Mab,iMl = \\Ml -> —- J^2mι
AM Änderung des Drehmomentes von einem Abtastzeitpunkt zum nächsten M0 aktuell berechnetes Drehmoment an der Schraube nach Gleichung
1.7 n aktuelle Drehzahl
AM
Hierbei ist das Restdrehmoment. Λ/
Somit ist es möglich, sowohl das aktuelle Drehmoment beim Schrauben, als auch das Enddrehmoment nach dem Stillstand des Schraubers zu bestimmen. Wenn während des Schraubvorgangs Gleichung 1.7 und 1.8 laufend berechnet werden, ist das Drehmoment beim dem der Schrauber zum Stillstand kommen wird zu jeder Zeit bekannt. Der Drehwinkel ist aus Drehzahl und Übersetzungsverhältnis einfach zu errechnen™ Anzahl der Umdrehungen am Antrieb, geteilt durch Übersetzungsverhältnis des Getriebes, geteilt durch 360° ergibt den überstrichenen Drehwinkel.
Gleichung (1.9) σo
Das Nachlaufen des Schraubers, nach dem Abschalten, kann aus den Parametern des Verschraubungsvorganges (wie beim Drehmomentmodus) ermittelt werden. Hierzu werden die Momente durch die entsprechenden Drehwinkelparameter ersetzt.
Gleichung (1.10)
Figure imgf000015_0001
Dadurch kann das erreichte Enddrehmoment und der erreichte Enddrehwinkel von unterschiedlich langen Schrauben, harter oder weicher Schraubfall, Reibwert und sonstigen Einflussgrößen nicht mehr beeinflusst werden.
Eine erfindungsgemäße Schraubeinrichtung, die insbesondere zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Verfahren geeignet ist, weist einen elektrischen Antriebsmotor auf, der über ein Getriebe mit einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines Schraubwerkzeuges, wie einer Schraubennuss, verbunden ist. Bei dem elektrischen Antriebsmotor handelt es sich vorzugsweise um einen Reihenschlussmotor, wie er von Bohrmaschinenantrieben bekannt ist. Über eine geeignete Phasenanschnittsteuerung erfolgt die Energiezufuhr zu der Schraubeinrichtung. Hierdurch ist die Leerlaufdrehzahl und die Schraubgeschwindigkeit einstellbar, Bei dem verwendeten Getriebe handelt es sich vorzugsweise um ein Planetengetriebe„ Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Drehzahlsensor, der zur Ermittlung der momentanen Motordrehzahl oder zur Ermittlung einer Änderung der Motordrehzahl zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich ist, als optischer Sensor ausgebildet Das Vorsehen eines optischen Sensors hat den Vorteil, dass, im Unterschied zu induktiven Sensoren, das Motormagnetfeld keine negativen Einflüsse auf das Sensorsignal hat. Der optische Sensor kann somit sehr nahe am Elektromotor angeordnet werden. Vorzugsweise weist der Sensor zur Drehzahlbestimmung eine Lichtschranke auf. Bei der Lichtschranke handelt es sich vorzugsweise um eine UV-Lichtschranke. Dies hat den Vorteil, dass die Lichtschranke weniger störanfällig ist. Insbesondere sichtbares Licht könnte gestört werden, wenn sich im Bereich der Lichtschranke Öffnungen in dem Gehäuse befinden, die beispielsweise zur Motorkühlung erforderlich sind. Besonders bevorzugt ist es, den Drehzahlsensor an der Kollektorseite der Ankerwelle anzuordnen. Die Ankerwelle ist wiederum vorzugsweise in dem Innenraum des Handgriffgehäuses der Schraubeinrichtung angeordnet.
Vorzugsweise sind die zur Steuerung des Schraubers notwendigen elektronischen Baugruppen im Handgriff des Schraubers integriert. Zur Spannungsversorgung der Elektronik ist ein Weϊtbereichsnetzteil, das vorzugsweise einen Bereich von 80 V bis 254 V aufweist, vorgesehen.
Die Einstellung der Schraubparameter kann über ein Graphikdisplay, das vorzugsweise eine Folientastatur oder einen Touchscreen aufweist, erfolgen. Hierbei sind die Parameter über eine Menuführung strukturiert. Des weiteren weist die Schraubeϊnrichtung vorzugsweise eine
Datenübertragungsschnittstelle, beispielsweise eine Infrarot-Schnittstelle, eine Bluetooth-Schnittstelle oder eine USB-Schnittstelle auf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Anzugverhaltens einer Schraubeinrichtung mit einem insbesondere elektrischen Antriebsmotor, mit den Schritten :
Bestimmen der aktuellen zeitlichen Änderung der Motordrehzahl,
Bestimmen des aktuellen Motordrehmoments,
Bestimmen eines aktuellen Drehmoments an der Schraube in Abhängigkeit der aktuellen zeitlichen Änderung der Motordrehzahl und des aktuellen Motordrehmoments,
Bestimmen eines Restdrehmoments in Abhängigkeit der aktuellen zeitlichen Momentenänderung und
Abschalten des Antriebsmotors bei Erreichen eines Abschaltmoments, wobei das Abschaltmoment in Abhängigkeit des aktuellen Drehmoments und des Restdrehmoments bestimmt wird
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Das Restdrehmoment zusätzlich in Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Restdrehmoment nach der Gleichung
Figure imgf000017_0001
bestimmt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, bei welchem zur Bestimmung des aktuellen Drehmoments an der Schraube zusätzlich das vom Antriebsmotor abgegebene aktuelle Drehmoment in Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das vom Antriebsmotor abhängige aktuelle Drehmoment aus einer hinterlegten Tabelle in Abhängigkeit der Drehzahl entnommen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, bei welchem das aktuelle Drehmoment an der Schraube mit
M11 = KrCM, - H I K.,„ + Λ ■ 2 π — d/
bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, bei welchem das Abschaltmoment nach
Figure imgf000018_0001
bestimmt wird.
Verfahren zur Steuerung eines Anzugverhaltens einer Schraubeinrichtung mit einem insbesondere elektrischen Antriebsmotor, mit den Schritten:
Bestimmen des aktuellen Drehwinkels,
Bestimmen eines Nachlaufwinkels in Abhängigkeit der aktuellen zeitlichen Änderung des Drehwinkels und Abschalten des Motors bei Erreichen eines Abschaltwinkels, wobei der Abschaltwinkel in Abhänigkeit des aktuellen Drehwinkels und des
IMachlaufwinkels bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der Nachlaufwinkel zusätzlich in Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem der Nachlaufwϊnkel mit
Au
JKCLTUI
Λ/
bestimmt wird.
11 Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 10, bei welchem der aktuelle Drehwϊnkel aus der Anzahl der Umdrehungen ggf. unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 11, bei welchem der Abschaltwinkel durch
Figure imgf000019_0001
bestimmt wird.
13. Verfahren zur Steuerung eines Anzugverhaltens einer Schraubeinrichtung mit einem insbesondere elektrischen Antriebsmotor, wobei der Antriebsmotor bei Erreichen eines Abschaltmoments gemäß einem der Ansprüche 1. - 7 und/ oder eines Abschaltwinkels gemäß einem der Ansprüche 8 - 11 abgeschaltet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem eine Fehlermeldung bei Überschreiten / Unterschreiten des Abschaltmoments und/ oder des Abschaltwinkels um einen vorgegebenen Schwellwert erzeugt wird.
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