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| JP09216171 | CLUTCH MECHANISM FOR ELECTRIC TOOL |
Hohmann, Frank (Beethovenstrasse 9 Warstein, D-59581, DE)
Hohmann, Frank (Beethovenstrasse 9 Warstein, D-59581, DE)
| 1. | Hydraulisch betriebener Kraftschrauber (1) mit einem durch eine KolbenZylinderEinheit (2) schwenkbaren Hebel (3) mit einer Ratschenanordnung (5) zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse (4), einer Antriebseinheit (6) mit einer motorisch angetriebenen, volumetrischen Pumpe (7, 8), einer Eingabeelektronik (17) zum Eingeben einer SollVorspannkraft, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlange oder des Schraubenmaterials, der Materialgüte, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge, einer Auswerteelektronik (18) zum Ermitteln eines SollSchraubenspannwinkels aus den eingegebenen Werten, einer Abtasteinrichtung (19) für den IstSchraubenspannwinkel aus dem Hubweg der KolbenZylinderEinheit (1), ausgehend vom Fügepunkt (B3) und einer Steuerund Abschalteinrichtung (20) zum Abschalten der Bewegung der KolbenZylinderEinheit (2) bei Erreichen des SollSchraubenspannwinkels. |
| 2. | Kraftschrauber nach Anspruch 1, bei dem die Abtasteinrichtung (19) dem IstSchraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit (6) ermittelt. |
| 3. | Kraftschrauber nach Anspruch 2, bei dem die Abtasteinrichtung (19) für die Ermittlung des IstSchraubenwinkels einen IstDruckaufnehmer (12,13,14) aufweist und beim Spannen der Schraube die Knickpunkte (AlA3 ; B IB8 ; C1C6) des IstDrucks bei Erreichen des Fiigepunktes (B3) bei Einsetzen der Schraubendrehung in den Zwischenschritten und bei Anschlag der KolbenZylinderEinheit (1) am Hubende als Intervallgrenzen (Il bis I6) für den Volumenstrom der Antriebseinheit (6) heranzieht, in diesen Intervallgrenzen (il bis I6) den IstSchraubenwinkel aus dem Volumenstrom ermittelt und bei Erreichen des SollSchraubenspannwinkels die Bewegung der KolbenZylinderEinheit (1) abschaltet. |
| 4. | Kraftschrauber nach Anspruch 1,2 oder 3, bei dem zwischen der KolbenZylinderEinheit (1) und der Pumpe (7,8) ein einstellbares Druckventil (11) angeordnet ist, das auf einen der SollVorspannkraft entsprechenden SollDruck einstellbar ist, die Abtasteinrichtung (19) den IstSchraubenspannwinkel bei Erreichen des SollDrucks aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit (6) ermittelt, bei Nichterreichen des SollSchraubenspannwinkels eine Erhöhung der Druckeinstellung am Druckventil (11) und ein Weiterdrehen der Schraube durch die KolbenZylinderEinheit (1) bis Erreichen des SollSchraubenspannwinkels bewirkt. |
| 5. | Kraftschrauber nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der IstDruckaufnehmer als elektronischer Druckmesser (12) in der Verbindung zwischen der KolbenZylinderEinheit (1) und der Antriebseinheit (6) ausgebildet ist. |
| 6. | Kraftschrauber nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der IstDruckaufnehmer als Stromaufnahmemeßgerät (19) einer elektromotorisch angetriebenen Antriebseinheit (6) ausgebildet ist. |
| 7. | Kraftschrauber nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der IstDruckaufnehmer als Phasenwinkelmeßgerät (14) einer mit Wechselstrom betriebenen elektromotorischen Antriebseinheit (6) ausgebildet ist. |
| 8. | Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die Abtasteinrichtung (19) eine Differentiiereinrichtung (21) für den IstDruck aufweist und sich die Knickpunkte (A1A3 ; B1B8 ; Clc6) als sprunghafte Veränderung der Steigung des IstDruckverlaufs aus der Differentiierung des IstDrucks ergeben. |
| 9. | Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem der für die Ermittlung des IstSchraubenspannwinkels maßgebende Volumenstrom der Antriebseinheit (6) aus der Anzahl der Umdrehungen der volumetrischen Pumpe (7,8) in den Intervallgrenzen (I1 bis 16) in der Abtasteinrichtung (19) berechnet wird. |
| 10. | Kraftschrauber nach Anspruch 9, bei dem aus der Umdrehungsgeschwindigkeit der volumetrischen Pumpe (7,8) und der Zeitdauer der Intervalle (il bis 16) der Volumenstrom in der Abtasteinrichtung (19) berechnet wird. |
| 11. | Verfahren zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers mit einem durch eine KolbenZylinderEinheit schwenkbaren Hebel mit einer Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse und einer Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen, volumetrischen Pumpe mit den Schritten : Eingeben einer SollVorspannkraft, der Schraubengröße, der Materiatgüte, der Gewindesteigung und der Klemmlänge oder des Schraubenmaterials, der Materialgute, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge in eine Eingabeelektronik, Ermitteln eines SollSchraubenspannwinkels aus den eingegebenen Werten in einer Auswerteelektronik, Festellen des Erreichens des Fugepunkts in einer Abtasteinrichtung, Ermitteln des IstSchraubenspannwinkels aus dem Hubweg der KolbenZylinderEinheit, ausgehend vom Fügepunkt in der Abtasteinrichtung und Abschalten der Bewegung der KolbenZylinderEinheit (2) bei Erreichen des SollSchraubenspannwinkels mittels einer Steuerund Abschalteinrichtung. |
| 12. | Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Abtasteinrichtung den IstSchraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit ermittelt. |
| 13. | Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Abtasteinrichtung für die Ermittlung des IstSchraubenwinkels einen IstDruckaufnehmer aufweist und beim Spannen der Schraube die Knickpunkte des IstDrucks bei Erreichen des Fügepunktes, bei Einsetzen der Schraubendrehung in den Zwischenschritten und bei Anschlag des Kolbens der KolbenZylinderEinheit am Hubende als Intervallgrenzen für den Volumenstrom der Antriebseinheit heranzieht, in diesen Intervallgrenzen den IstSchraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom ermittelt und bei Erreichen des SollSchraubenspannwinkels die Bewegung der KolbenZylinderEinheit (1) abschaltet. |
| 14. | Verfahren nach Anspruch 11,12 oder 13, bei dem zwischen der KolbenZylinderEinheit und der Pumpe ein einstellbares Druckventil angeordnet ist, das auf einen, der SollVorspannkraft entsprechenden SollDruck einstellbar ist, die Abtasteinrichtung für die Ermittlung des IstSchraubenspannwinkels den IstSchraubenspannwinkel bei Erreichen des SollDrucks aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit ermittelt, bei Nichterreichen des SollSchraubenspannwinkels eine Erhöhung der Druckeinstellung am Druckventil und ein Weiterdrehen der Schraube durch die KolbenZylinderEinheit bis Erreichen des SollSchraubenspannwinkels bewirkt. |
| 15. | Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Abtasteinrichtung eine Differentiiereinrichtung für den IstDruck aufweist und sich die Knickpunkte als sprunghafte Veränderung der Steigung des IstDruckverlaufs aus der Differentiierung des IstDrucks ergeben. |
| 16. | Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem aus der Anzahl der Umdrehungen der volumetrischen Pumpe in den Intervallgrenzen in der Abtasteinrichtung berechnet wird. |
| 17. | Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der für die Ermittlung des IstSchraubenspannwinkels maßgebende Volumenstrom der Antriebseinheit aus der Umdrehungsgeschwindigkeit der volumetrischen Pumpe und der Zeitdauer der Intervalle in der Abtasteinrichtung berechnet wird. |
Ein derartiger Kraftschrauber ist beispielsweise in der DE 34 16 879 C2 beschrieben. Bei diesem Kraftschrauber besteht zwischen dem Kolbenweg der Kolben-Zylinder-Einheit und damit dem Schwenkwinkel der Ratschenbuchse sowie dem Volumenstrom der volumetrischen Pumpe ein vorgegebenes Verhaltnis, das sich aus der Formel VD H AKD ergibt. Hierbei ist H der Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit, VD das Volumen des in den Zylinder eingeleiteten Öls und AKD die Kolbenfläche des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit.
Bei einer Antriebseinheit aus einer motorisch angetriebenen, volumetrischen Pumpe, insbesondere einer Kolbenpumpe ergibt sich der Volumenstrom der Pumpe aus der Umdrehungsgeschwindigkeit des Antriebsmotors der Pumpe und dem je Umdrehung gelieferten Pumpenvolumen entspricht ein bestimmter Hubweg H der Kolben-Zylinder-Einheit.
Bei den bisher bekannten Kraftschraubern der eingangs erwähnten Art wurde eine Steuerung des Anzugsmoments, das sich direkt aus dem auf die Kolben-Zylinder-Einheit wirkenden Druck und dem Hebelarm des schwenkbaren Hebels ergibt, in der Weise durchgefiihrt, daß der Druck der Antriebseinheit auf einen dem Soll-Anzugsmoment entsprechenden Soll-Druck eingestellt wurde, so daß sich ein einstellbares Druckventil bei Erreichen des Soll-Drucks und damit des Anzugmoments öffnete und die Hubbewegung der Kolben-Zylinder-Einheit zum Stillstand kam. Mit dieser bekannten Steuerung waren jedoch die ebenfalls bekannten Nachteile des Anziehens über das Drehmoment eines Kraftschraubers verbunden, das bekanntermaßen stark von äußeren Umständen, wie Gewindereibung, Reibung gegenüber einer Auflageflache und Verformung der mittels der Schraubenverbindung zusammenzuftigenden Bauteile und dergleichen abhängig ist und daher kein genaues Maß für die tatsächlich erreichte Schraubenvorspannung ist.
Aufgrund des Hooke'schen Gesetzes ist die tatsächlich erreichte Schraubenvorspannung direkt proportional zum Schraubendrehwinkel bei gegebener Gewindesteigung, da einem bestimmten Schraubendrehwinkel eine bestimmte Schraubendehnung und damit eine bestimmte Schraubenvorspannung entspricht.
Um diesen Drehwinkel zu bestimmen, ist es bei drehend angetriebenen Kraftschraubern, beispielsweise aus der DE 43 31 846 Al, bekannt, eine Schraubverbindung zunächst bis zur Auflage der Bestandteile der Schraubverbindung aufeinander anzuziehen. Erst wenn die verschiedenen Bestandteile dieser Schraubverbindung satt aufeinander liegen, d. h. wenn der Fügepunkt erreicht ist, wird bei dem bekannten Verfahren die Erkenntnis benutzt, daß bis zum Erreichen des Fügepunkts nur ein geringer Anstieg des vom Kraftschrauber aufgebrachten Drehmoments und damit des auf den Kraftschrauber wirkenden Drucks eintritt, dieses Drehmoment und damit der Druck vom Fugepunkt ab jedoch steil ansteigt und somit der Knickpunkt im Drehmoment-bzw. Druckverlauf als Ausgangspunkt für die Bestimmung des Ist-Schraubenspannwinkels genommen werden kann. Bei dem in der DE 43 31 846 AI beschriebenen Verfahren zum Anziehen einer Schraubverbindung wird der Fügepunkt erfaßt, indem der Gradient des Anzugsmoments gebildet wird, der am Fügepunkt einen signifikanten Sprung besitzt. Eine Angabe, wie der Ist-Schraubenspannwinkel im Vergleich zu einem vorgegebenen Soll-Schraubenspannwinkel ermittelt wird, findet sich nicht in der DE 43 38 846 A1.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen hydraulisch betriebenen Kraftschrauber und ein Verfahren zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers der eingangs erwähnten Art zu schaffen, durch die die Bedienung vereinfacht und Bedienungsfehler möglichst ausgeschaltet werden, ohne daß besondere Anforderungen an die Fachkenntnisse der Bedienungsperson gestellt werden. Des weiteren sollen Schäden an den anzuziehenden Schrauben und am Kraftschrauber vermieden, die Genauigkeit, mit der das Anziehen der Schrauben bewirkt wird, erhöht und eine sichere Übertragung der Meß-und Steuersignale gewährleistet werden.
Ausgehend von dieser Problemstellung wird bei einem hydraulisch betriebenen Kraftschrauber mit einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit schwenkbaren Hebel mit einer Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse und einer Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen, volumetrischen Pumpe vorgeschlagen, daß erfindungsgemäß eine Eingabeelektronik zum Eingeben einer Soll-Vorspannkraft, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge oder des Schraubenmaterials, der Materialgüte, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge, eine Auswerteelektronik zum Ermitteln eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den eingegebenen Werten, eine Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit ausgehend vom Fügepunkt und eine Steuer-und Abschalteinrichtung zum Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels vorgesehen sind.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß zwischen dem Volumenstrom der Pumpe und dem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit eine geometrische, unveränderliche Beziehung besteht, so daß einer Umdrehung der motorisch angetriebenen, volumetrischen Pumpe ein ganz bestimmter Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit entspricht. Da diesem Hubweg wiederum ein bestimmter Drehwinkel der Ratschenbüchse entspricht, ergibt sich aus den Umdrehungen der Pumpe durch einfaches Umrechnen direkt der Ist-Schraubenspannwinkel. Dementsprechend läßt sich der Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit durch die Abtasteinrichtung ermitteln.
Vorzugsweise kann die Abtasteinrichtung fur die Ermittlung des Ist-Schraubenwinkels einen Ist-Druckaufnehmer aufweisen und beim Spannen der Schraube die Knickpunkte des Ist-Drucks bei Erreichen des Fügepunkts, bei Einsetzen der Schraubendrehung in den Zwischenschritten und bei Anschlag des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit am Hubende als Intervallgrenzen fur den Volumenstrom der Antriebseinheit heranziehen, in diesen Intervallgrenzen den Ist-Schraubenwinkel aus dem Volumenstrom ermitteln und bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels die Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit abschalten.
Diese Ausgestaltung der Abtasteinrichtung macht sich die Tatsache zunutze, daß beim schrittweisen Drehen der Ratschenbüchse am Pumpenausgang zunächst ein steiler Druckanstieg einsetzt, der mit einem Knick in den Druckverlauf übergeht, der sich beim Anziehen der Schraubenverbindung bis zum Fügepunkt einstellt. Das Anziehen bis zum Fügepunkt kann in mehreren Schritten erfolgen, wobei am Ende eines jeden Schrittes wiederum ein Knickpunkt im Druckverlauf auftritt, wenn die Kolben-Zylinder-Einheit am Ende des Hubweges gegen einen Anschlag fahrt. Ein weiterer Knickpunkt tritt vor Ende des Hubweges auf, wenn der Fugepunkt erreicht wird, da von diesem Punkt ab der Druckanstieg proportional zur Schraubenvorspannkraft erfolgt.
Solange die vorgegebene Soll-Schraubenvorspannung, d. h. der daraus ermittelte Soll-Schraubenspannwinkel noch nicht erreicht ist, legt die Kolben-Zylinder-Einheit während jedes Schrittes den vollen Hubweg bis zum Anschlag zurück, so daß das Intervall zwischen dem Knickpunkt des Druckverlaufs zu Beginn und am Ende des Hubweges ein Maß fur den jeweiligen Schraubenspannwinkel ist. Da diesem Intervall eine bestimmte Fördermenge bzw. ein bestimmter Volumenstrom der Pumpe zugeordnet ist, der sich wiederum aus deren Drehzahl ergibt, besteht eine eindeutige Beziehung zwischen dem Schraubenspannwinkel und dem Volumenstrom der Antriebseinheit.
Wird beim Anziehen der Schraubenverbindung wahrend des letzten Schrittes der Soll-Schraubenspannwinkel erreicht, was sich in der Abtasteinrichtung durch Aufaddieren der Hubwege in den einzelnen Schritten seit dem Fügepunkt feststellen läßt, wird die Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit abgeschaltet, beispielsweise durch Abschalten der Antriebseinheit oder durch Öffnen eines Druckventils in der Leitungsverbindung zwischen der Antriebseinheit und der Kolben-Zylinder-Einheit.
Wenn zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit und der Pumpe ein einstellbares Druckventil angeordnet ist, das auf einen der Soll-Vorspannkraft entsprechenden Soll-Druck einstellbar ist, und ermittelt die Abtasteinrichtung den Ist-Schraubenspannwinkel bei Erreichen des Soll-Drucks aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit, ist es möglich, bei Nichterreichen des Soll-Schraubenspannwinkels eine Erhöhung des Drucks am Druckventil durch die Abtasteinrichtung einstellen zu lassen und ein Weiterdrehen der Schraube durch die Kolben-Zylinder-Einheit bis Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels zu bewirken. Dabei läßt sich der Ist-Schraubenspannwinkel vor Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels auf einfache Weise mit dem Intervall des Druckverlaufs in Verbindung bringen, dessen Knickpunkt sich durch das Öffnen des Druckventils bei Erreichen des eingestellten Soll-Drucks ergibt. Dieser Soll-Druck darf selbstverständlich nicht so hoch eingestellt sein, daß bei Erreichen dieses Soll-Drucks die Soll-Vorspannkraft überschritten wird.
Aufgrund der eingangs erwähnten Ungenauigkeiten der Steuerung über eine Druckeinstellung ist es daher vorteilhaft, diesen Soll-Druck etwas niedriger als der Soll-Vorspannkraft entsprechend einzustellen, um durch einen anschließenden Schritt den vorgegebenen Soll-Schraubenspannwinkel und damit die Soll-Vorspannkraft tatsächlich zu erreichen, indem die Schraube durch die Kolben-Zylinder-Einheit um einen entsprechenden Winkel weitergedreht und die Bewegung des Kraftschraubers dann abgeschaltet wird.
Da die Eingabeelektronik, die Auswerteelektronik und die Abtasteeinrichtung vorzugsweise aus einem einheitlichen elektronischen Baustein bestehen können, ist es vorteilhaft, als Ist-Druckaufnehmer einen elektronischen Druckmesser in der Leitungsverbindung zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit und der Antriebseinheit vorzusehen, dessen Meßdaten als elektrische Meßgrößen direkt durch den elektronischen Baustein verwertbar sind. Ein derartiger elektronischer Druckmesser ist erforderlich, wenn der Antriebsmotor für die volumetrische Pumpe kein Elektromotor, sondern beispielsweise ein Druckluftmotor ist.
Handelt es sich bei dem Antriebsmotor für die volumetrische Pumpe um einen Elektromotor, kann der Ist-Druckaufnehmer als Stromaufnahmemeßgerät ausgebildet sein, da die Stromaufnahme eines Elektromotors, der eine volumetrische Pumpe antreibt, direkt proportional zum Pumpendruck ist.
Handelt es sich bei dem Antriebsmotor um einen wechselstrombetriebenen Antriebsmotor, dessen Phasenlage sich mit dem aufzubringenden Drehmoment und damit proportional zum von der volumetrischen Pumpe erzeugten Druck ändert, kann der Ist-Druckaufnehmer auch als Phasenwinkelmeßgerat ausgebildet sein.
Vorzugsweise kann die Abtasteinrichtung für den Ist-Druck eine Differentiiereinrichtung aufweisen, da sich die aufzunehmenden Knickpunkte des Druckverlaufs als sprunghafte Veränderung der Steigung aus der Differentiierung des Ist-Drucks ergeben und eine genaue Ermittlung der Knickpunkte ermoglichen.
Für die Ermittlung des Ist-Schraubenspannwinkels läßt sich der maßgebliche Volumenstrom der Antriebseinheit aus der Anzahl der Umdrehungen der volumetrischen Pumpe in den Intervallgrenzen in der Abtasteinrichtung berechnen, vorzugsweise indem die Umdrehungsgeschwindigkeit der volumetrischen Pumpe und die Zeitdauer der Intervalle des Druckverlaufs zwischen den Knickpunkten zur Berechnung des Volumenstroms herangezogen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers der eingangs erwähnten Art weist die Schritte auf : Eingeben einer Soll-Vorspannkraft, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der KIemmtänge oder des Schraubenmaterials, der Materialgüte, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge in eine Eingabeelektronik, Ermitteln eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den eingegebenen Werten in einer Auswerteelektronik, Feststellen des Erreichens des Fügepunkts in einer Abtasteinrichtung, Ermitteln des Ist-Schraubenspannwinkels aus dem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit ausgehend vom Fugepunkt in der Abtasteinrichtung und Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels mittels einer Steuer-und Abschalteinrichtung.
Die Abtasteinrichtung kann dabei den Ist-Schraubenspannwinkel ohne weiteres aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit ermitteln, wobei die Abtasteinrichtung vorzugsweise für die Ermittlung des Ist-Schraubenwinkels einen Ist-Druckaufnehmer aufweist und beim Spannen der Schraube die Knickpunkte des Ist-Drucks bei Erreichen des Fügepunkts, bei Einsetzen der Schraubendrehung in den Zwischenschritten und bei Anschlag des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit am Hubende als Intervallgrenzen für den Volumenstrom der Antriebseinheit heranzieht, in diesen Intervallgrenzen den Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom ermittelt und bei Erreichen des Soll-Schraubenwinkels die Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit abschaltet. Die Annäherung an den Soll-Schraubenspannwinkel läßt sich vorteilhaft in der Weise kontrollieren, daß zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit ein einstellbares Druckventil angeordnet wird, das auf einen etwas niedrigeren Soll-Druck als dem der Soll-Vorspannkraft entsprechenden eingestellt ist. Wenn dann die Abtasteinrichtung den Ist-Schraubenspannwinkel bei Erreichen des eingestellten Soll-Drucks aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit ermittelt, wobei das Erreichen des Soll-Drucks durch Differentiieren des Druckverlaufs im Knickpunkt genau ermittelbar ist, kann die Abtasteinrichtung einen erforderlichen Weiterdrehwinkel berechnen, die Druckeinstellung am Druckventil entsprechend erhöhen und ein Weiterdrehen der Schrauben durch die Kolben-Zylinder-Einheit bis Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels bewirken und dann die Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit abschalten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers mit Antriebseinheit und elektronischer Steuereinheit und Fig. 2 eine schematische Darstellung des Druckverlaufs beim S chraubenspannen.
Ein hydraulisch betriebener Kraftschrauber 1 umfaßt eine Kolben-Zylinder-Einheit 2, einen durch die Kolben-Zylinder-Einheit 2 beaufschlagbaren, schwenkbaren Hebel 3 mit einer Ratschenanordnung 5 zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse 4. Zwischen Anschlägen in der Kolben-Zylinder-Einheit 2 ergibt sich ein Schwenkwinkel a des Hebels 3.
Dies entspricht dem vollen Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit. Dementsprechend besteht zwischen dem Hubweg H und dem Schwenkwinkel a eine feststehende, geometrische Beziehung.
Das Schwenken des Schwenkhebels 3 zum Spannen einer nicht dargestellten Schraube erfolgt durch Beaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 mit Drucköl von einer Antriebseinheit 6, während der Rückhub des Hebels 3 durch eine nicht dargestellte Rückholfeder bewirkt wird. Der Rückhub erfolgt als Leerhub, da die Ratschenanordnung 5 beim Rückhub die Drehverbindung zwischen dem Hebel 3 und der Ratschenbüchse 4 freigibt.
Die Antriebseinheit 6 weist zwei parallel geschaltete Pumpen 7,8 auf, die als Kolbenpumpen mit unterschiedlichem Fördervolumen ausgebildet sind. Der Antrieb der Pumpen 7,8 erfolgt durch einen gemeinsamen Antriebsmotor 9, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgebildet ist. Mit der Druckseite der Pumpen 7,8 ist ein kombiniertes Umschalt-und Drucksteuerventil 11 verbunden, dessen Wirkungsweise noch erläutert wird.
Des weiteren ist in der Druckleitung zum Kraftschrauber 1 ein Druckaufnehmer 12 angeordnet. Anstelle eines in der Druckleitung angeordneten Druckaufnehmers 12 kann die Messung des Drucks in der Druckleitung auch durch ein mit dem Antriebsmotor 9 verbundenes Stromaufnahmemeßgerat 13 oder durch ein mit dem Antriebsmotor 9 verbundenes Phasenwinkelmeßgerat 14 erfolgen.
Mit dem Antriebsmotor 9 kann des weiteren ein Tachogenerator 15 verbunden sein.
Eine die Antriebseinheit 6 steuernde, elektronische Steuereinheit 16 ist mit einer Eingabeelektronik 17, vorzugsweise einer Eingabetastatur, verbunden und weist Eingänge für den Druckaufnehmer 12 und/oder das Stromaufhahmemeßgerät 13 und/oder das Phasenwinkelmeßgerät 14 und/oder den Tachogenerator 15 auf. Ein Ausgang der elektronischen Steuereinheit 16 ist mit dem Umschalt-und Drucksteuerventil 11 verbunden.
Die elektronische Steuereinheit 16 umfaßt eine Auswerteelektronik 18 zum Ermitteln eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den in die Eingabeelektronik 17 eingegebenen Schraubenwerte, nämlich einer Soll-Vorspannkraft, der Schraubengroße, der Gewindesteigung und der Klemmlange. Des weiteren umfaßt die elektronische Steuereinheit 16 eine Abtasteinrichtung 19 für den Ist-Schraubenspannwinkel sowie eine Steuer-und Abschalteinrichtung 20 zum Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels. Eine Differentiereinrichtung 21 in der elektronischen Steuereinheit 16 dient dazu, aus dem in Fig. 2 dargestellten Druckverlauf beim Anziehen einer Schraubenverbindung die Knickpunkte Ai bis Ag, B1 bis B3 und Ci bis C6 als sprunghafte Veränderung des Druckanstiegs darzustellen und zur Auswertung in der Abtasteinrichtung 19 sowie der Steuer-und Abschalteinrichtung 20 zur Verfügung zu stellen.
Das Spannen einer Schraubenverbindung mittels der in Fig. 1 dargestellten Schraubvorrichtung erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 2 in folgender Weise : Zunächst werden in die Eingabeelektronik 17 die Soll-Vorspannkraft, die Schraubengröße, die Gewindesteigung und die Klemmlänge eingegeben und von dort an die Auswerteelektronik 18 in der elektronischen Steuereinheit 16 geleitet. Die Auswerteelektronik 18 ermittelt aus diesen Verschraubungsdaten einen Soll-Schraubenvorspannwinkel, da der SoH-Vorspannkraft eine bestimmte Schraubendehnung entspricht, die wiederum über die Gewindesteigung in einem direkt proportionalen Verhältnis zum Soll-Schraubenspannwinkel steht.
Die Soll-Vorspannkraft ist durch den Elastizitätsmodul des Schraubenmaterials, die zulässige Zugspannung, d. h. die Materialgüte, den Schaftquerschnitt und die Schraubenlänge vorgegeben und kann beispielsweise auf der Schraube selbst oder in einer Tabelle angegeben sein. Die Auswerteelektronik kann jedoch auch die Soll-Vorspannkraft ermitteln, wenn das Schraubenmaterial und die Schraubengüte zusätzlich zu der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlange eingegeben werden.
Dieser Soll-Schraubenspannwinkel wird erst ab dem Fugepunkt B3, d. h. ab dem Punkt, an dem die verschiedenen Bestandteile der Schraubenverbindung satt aufliegen, gemessen. Dieser Fügepunkt ist in Fig. 2 mit B3 bezeichnet.
Wenn der Soll-Schraubenspannwinkel ermittelt ist, der ggf. zusammen mit den eingegebenen Schraubendaten auf einem nicht dargestellten Bildschirm angezeigt sein kann, wird der Motor 9 zum Antreiben der Pumpen 7,8 in Betrieb gesetzt oder wird bei ständig laufendem Antriebsmotor 9 ein Druckentlastungsventil im Umschalt-und Drucksteuerventil 11 geschlossen, so daß sich in der Druckleitung zum Kraftschrauber I der Pumpendruck aufbaut. Dieser Druck steigt zunächst nur bis zum Punkt Aj in Fig. 2 an und entspricht den Widerständen in den Leitungen, dem Kraftschrauber I und in der Schraubenverbindung während des Anziehens bis zum Fügepunkt B3. In Fig. 2 ist dargestellt, daß bis zum Erreichen des Fügepunktes B3 zwei Leerhübe Al-B I und A2-B2 erforderlich sind. Diese Leerhübe entsprechen dem vollem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit 2 bis zum Anschlag am Ende des Hubwegs, an dem der Druck in der Druckleitung steil bis auf den in dem Abschalt-und Drucksteuerventil eingestellten Druck ansteigt. Bei diesem Druck kann es sich, wie nachstehend noch beschrieben, entweder um einen gleichbleibenden Druck pmax oder um einen ersten Druck pi und anschließend den Druck pmax handeln. Zwischen jedem Hub kehrt die Kolben-Zylinder-Einheit, durch die elektronische Steuereinheit 16 gesteuert, in ihre Ausgangsstellung zurück.
Wenn während des dritten Schritts beim Spannen der Schraubverbindung der Fügepunkt B3 erreicht ist, wird die Schraube entsprechend den Schraubendaten gespannt, wobei entsprechend der zunehmenden Schraubenvorspannung ein gleichmäßiges Ansteigen des erforderlichen Schraubmoments und damit des Drucks in der Druckleitung zur Kolben-Zylinder-Einheit 2 eintritt. Ist in einem Schritt das Ende Hubweges H erreicht, steigt vom Punkt C 1 der Druck wieder stark auf p 1 oder auf pmax an.
Der Schraubvorgang wiederholt sich in mehreren Schritten in der gleichen Weise, wobei die Intervalle I bis 16 dem Ist-Schraubenspannwinkel entsprechen.
Der Druckverlauf läßt sich, wie bereits erwahnt, entweder mittels eines in der Druckleitung angeordneten, elektronischen Druckaufnehmers 12 oder durch ein mit dem Antriebsmotor 9 verbundenes Stromaufnahmemeßgerät 13 oder durch ein mit dem Antriebsmotor 9 verbundenes Phasenwinkelmeßgerät 14 ermitteln. Durch Differentieren des Druckverlaufs mittels der Differentiereinrichtung 21 in der elektronischen Steuereinheit 16 lassen sich die Knickpunkte A I bis Ag B I bis B3 und C1 bis C6 sehr genau bestimmen, so daß sich der Ist-Schraubenspannwinkel zu jedem Zeitpunkt mit dem Soll-Schraubenspannwinkel vergleichen läßt.
Der Ist-Schraubenspannwinkel ergibt sich aus den Intervallen 1l bis I6 in der Weise, daß die als Kolbenpumpen ausgebildeten Pumpen 7,8 für jede Umdrehung des Antriebsmotors 9 ein ganz bestimmtes Hydraulikolvolumen liefern, dem ein bestimmter Hubweg H der Kolben-Zylinder-Einheit 2 je nach wirksamer Kolbenfläche entspricht.
Lauft beispielsweise der Antriebsmotor 9 mit konstanter Drehzahl, genügt es, die Zeit für die Intervalle 11 bis I6 zwischen den Knickpunkten B3-C I, A4-C2, A5-C3, A6-C4, A7-C5, Ag-C6 aufzuaddieren, da bei konstanter Drehzahl des Antriebsmotors 9 die Pumpen 7,8 einen konstanten Volumenzustrom liefern, der genau einem bestimmten, aufzusummierenden Hubweg H der Kolben-Zylinder-Einheit 2 und damit dem Schraubenspannwinkel entspricht.
Hierzu ist eine Zeitschaltung erforderlich, die nur die Intervalle I I bis 16 aufsummiert.
Ist mit dem Antriebsmotor 9 ein Tachogenerator 13 verbunden, der die Umdrehungen des Antriebsmotors zählt, ist weder eine Zeitschaltung erforderlich, noch muß der Antriebsmotor mit konstanter Drehzahl laufen, da, wie bereits ausgeführt, jeder Umdrehung des Antriebsmotors 9 ein ganz bestimmtes Fördervolumen der Pumpen 7,8 entspricht, das einen entsprechenden Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit 2 zufolge hat.
Das Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels läßt sich auf unterschiedliche Weise steuern. Ist beispielsweise das Umschalt-und Drucksteuerventil 1 I auf einen Höchstdruck pmax eingestellt, der stets höher liegt als der Druck, der sich beim Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels in der Druckleitung einstellt, ist es erforderlich, von der Steuer-und Abschalteinrichtung 20 in der elektronischen Steuereinheit 16 ein Signal an den Antriebsmotor 9 oder an das Umschalt- und Drucksteuerventil 11 zu senden, das den Antriebsmotor 9 bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels abstellt oder durch Öffnen eines Druckentlastungsventils im Umschalt-und Drucksteuerventil 11 eine schnelle Druckentlastung in der Druckleitung zur Kolben-Zylinder-Einheit 2 bewirkt und damit zum Stillstand der Hubbewegung führt. Dieser Abschaltpunkt kann beispielsweise beim Punkt C5 bei dem Druck p I erreicht sein, so daß die Intervalle Il bis 15 dem Ist-Schraubenspannwinkel entsprechen.
Eine andere Moglichkeit, den Ist-Schraubenspannwinkel in Ubereinstimmung mit den Soll-Schraubenspannwinkel zu bringen, besteht darin, in dem Umschalt-und Drucksteuerventil 11 einen Druck p 1 einzustellen, der niedriger ist als der Druck, der sich bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels einstellt. In diesem Fall endet die Hubbewegung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 zunächst im Knickpunkt C5, da in diesem Punkt der eingestellte Druck p I erreicht wird und sich das Umschalt-und Drucksteuerventil 11 zum Hydraulikbehälter 10 öffnet.
Während sich die Kolben-Zylinder-Einheit 2 in die Ausgangsstellung zurück bewegt, wird das auf den Druck p eingestellte Drucksteuerventil 11, durch die elektronische Steuereinheit 16 gesteuert, geschlossen, so daß ein weiterer Druckanstieg wahrend des nachfolgenden Arbeitshubes der Kolben-Zylinder-Einheit möglich ist. Es erfolgt somit ein Weiterdrehen der Schraubenverbindung durch den Kraftschrauber 1 bis das Intervall I6 durchlaufen ist und nunmehr der Ist-Schraubenspannwinkel mit dem Soll-Schraubenspannwinkel übereinstimmt, wonach, wie bereits beschrieben, entweder der Antriebsmotor 9 abgeschaltet oder ein Druckentlastungsventil in dem Umschalt-und Drucksteuerventil 11 geöffnet wird, so daß das durch die Pumpen 7,8 geforderte Drucköl in den Ölbehälter 10 zurückfließt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Pumpen 7,8 mit unterschiedlichem Fördervolumen parallel geschaltet. Beide Pumpen 7,8 fördern während der Leerhübe A1-B 1, A2-B2 bis zum Erreichen des Fügepunktes B3 gemeinsam in die Druckleitung zur Kolben-Zylinder-Einheit 2. Bei Erreichen des Fügepunktes B3 öffnet sich ein Druckentlastungsventil in dem Umschalt-und Drucksteuerventil 11, wodurch der Volumenstrom der Pumpe 8 wieder in den Ölbehälter 10 zurückfließt und nur noch die Pumpe 7 in die Druckleitung zur Kolben-Zylinder-Einheit 2 fördert. Auf diese Weise wird der Fügepunkt B3 sehr schnell erreicht, ohne daß die gesamte Antriebseinheit 6 hinsichtlich ihrer Leistung auf den beim Anziehen der Schraubenverbindung erforderlichen hohen Druck ausgerichtet zu werden braucht.
Durch das Offnen des Druckentlastungsventils geht die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors 9 schlagartig zurück und steigt beim weiteren Anziehen der Schraube wieder an, so daß sich dieser Schaltpunkt durch das StromauEnahmemeßgerät 13 oder durch das Phasenwinkelmeßgerät in der Abtasteinrichtung 19 beim Aufnehmen des Ist-Schraubenspannwinkels berücksichtigen läßt.
Selbstverständlich kann das Druckentlastungsventil für die Pumpe 8 auch so eingestellt sein, daß noch ein Teil der Intervalle I I bis 15 durch beide Pumpen 7,8 erfaßt wird, wenn ein besonders schneller Schraubvorgang erwünscht ist.
Mit der Erfindung ist der besondere Vorteil verbunden, daß sich ein hochgenaues Anziehen einer Schraubenverbindung auf eine vorgebbare Soll-Vorspannkraft über einen daraus errechenbaren Soll-Schraubenspannwinkel erreichen läßt, ohne daß der Ist-Schraubenspannwinkel direkt mittels einer besonderen Winkelmeßvorrichtung gemessen werden muß, da sich der Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom der Hydraulikantriebseinheit 6 für den Kraftschrauber 1 ermitteln läßt und dieser Volumenstrom aus den Abmessungen der Pumpen 7,8 und ihrer Drehzahl geometrisch vorgegeben ist.