Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum winkelgesteuerten Dre¬ hen eines drehbaren Teiles unter Verwendung eines hydraulischen Kolbenzylinderantriebs und einer Ratsche, und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines hydraulischen Kraftschraubers.

In WO 03/013797 Al ist ein Verfahren zur Steuerung eines inter¬ mittierenden Schraubvorganges beschrieben, bei dem ein hydrauli¬ scher Kraftschrauber, der eine Kolbenzylindereinheit aufweist, in mehreren Hüben eine Schraube anzieht. Der Schraubvorgang ist unterteilt in einen Drehmomentmodus, der bis zum Erreichen eines vorgegebenen Fügemoments durchgeführt wird, und einen Drehwin¬ kelmodus bei dem, beginnend mit dem Fügemoment, die Schraube um einen vorbestimmten Drehwinkel weitergedreht wird. Der Kraftschrauber ist mit einem Drehmomentsensor und einem Drehwin¬ kelsensor ausgestattet. Solche Sensoren stellen einen zusätzli- chen Aufwand dar und haben zur Folge, dass nur bestimmte KraftSchraubertypen zur Durchführung des Verfahrens verwendbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum win¬ kelgesteuerten Drehen eines drehbaren Teiles anzugeben, das kei¬ nen Winkelsensor benötigt und daher einfach und ohne Beschrän¬ kung auf einen bestimmten Kolbenzylinderantrieb durchführbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum winkelgesteuerten Drehen ei¬ nes drehbaren Teiles unter Verwendung eines hydraulischen Kol¬ benzylinderantriebs und einer Ratsche weist die Merkmale des Pa¬ tentanspruchs 1 auf.

Erfindungsgemäß wird vor eineτn Arbeitslauf der Drehvorrichtung die Drehwinkelgeschwindigkeit als Beziehung zwischen Drehwinkel und Drehzeit bei einem dem Linearantrieb zugeführten definierten Mengenstrom ermittelt. Anschließend erfolgt bei einem Arbeits¬ lauf die Versorgung des Linea:trantriebes mit definiertem Mengen¬ strom unter Messung der Zeitdauer. Bei einem Drehwinkelmodus wird aus der Zeitdauer und der Drehwinkelgeschwindigkeit der Drehwinkel bestimmt.

Zur Durchführung dieses den Drrehwinkelmodus betreffenden Verfah¬ rens wird an der mechanischen. Drehvorrichtung weder ein Sensor noch ein Messgerät benötigt. Was gemessen wird ist lediglich die Zeitdauer der Zufuhr von Hyclraulikflüssigkeit mit definiertem Mengenstrom. Die Messung der Winkeldrehung ist also auf eine Zeitmessung reduziert.

Vor einem Arbeitslauf wird in einem Kalibrierlauf, in dem dem Kolbenzylinderantrieb ein definierter Volumenstrom zugeführt wird, der "Drehwinkel pro Zeiteinheit" für diesen Volumenstrom bestimmt. Der Drehwinkel pro Zeiteinheit kann experimentell durch Messung des Drehwinkels ermitteLt werden oder auch berech¬ net werden. Die Berechnung erfolgt in der Weise, dass aus dem Füllvolumen des Hydraulikzylinders, dem definierten Volumenstrom, der dem Kolbenzylinderantrieb zugeführt wird, und der Hebellänge des das drehbare Teil drehenden HebelSystems der Drehwinkel pro Zeiteinheit berechnet wird. Selbstverständlich kann auch der reziproke Wert, nämlich die "Zeit pro Drehwinkelgrad" bestimmt werden. In jedem Fall wird eine Zeitmessung durchgeführt und die Drehung wird beendet, wenn die Zeitmessung das Überstreichen des gewünschten Winkelbereichs ergibt. Der gewünschte Drehwinkel kann vor Arbeitsbeginn programmiert werden. Durch einen Sollwert/Istwert-Vergleich kann nach Erreichen des gewünschten Drehwinlkels abgeschaltet werden.

Der definierte Volumenstrom kann von einem Hydraulikaggregat er¬ zeugt werden, das eine Verdrängerpumpe oder volumetrische Pumpe enthält, beispielsweise eine Zahnraclpumpe. Eine volumetrische Pumpe liefert einen Volumenstrom, der der Pumpendrehzahl propor¬ tional ist. Durch Steuerung der Purnpendrehzahl kann ein ge¬ wünschter Mengenstrom erzeugt werden.

Der definierte Volumenstrom ist ±m einfachsten Fall ein konstanter Volumenstrom. Er kann nach einem vorgegebenen Zeitprogramm verändert werden oder in Abhängigkeit von einer Messgröße, beispielsweise dem Druck des Hydraulikmediums.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vor der Durchführung des Drehwinkelmodus ein -Drehmomentmodus ausgeführt, bei dem das drehbare Teil bis zum Erreichen eines Fügemoments gedreht wird, wobei die Versorgung des Kolbenzylinderantriebs mit definiertem Mengenstrom erfolgt. Der Drehmomentmodus wird beendet, wenn der am Kolbenzylindexantrieb aufgebaute Druck einen dem Fügemoment entsprechenden Wert erreicht hat . Hierbei - A -

wird zur Drehmomentmessung der Druck in den den Kolbenzylinderantrieb versorgenden Hydrauli_ksystem benutzt. Dieser Druck steigt proportional mit dem Widerstandsmoment des zu drehenden Teiles, so dass er für eine Drehmomentmessung benutzt werden kann. Eine Drehmomentmessung ist allerdings zu den Zeitpunkten nicht möglich, in denen der Kolben des Kolbenzylinderantriebs gegen den Endanschlag stößt. Dann muss die Antriebseinrichtung auf Rücklauf umgeschaltet werden, wodurch der Kolben seinen Rückhub durchführt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgese¬ hen, dass bei unbelastetem Kolbenzylinderantri_eb eine Grundkenn¬ linie ermittelt wird, die den zeitlichen Verlauf des Druckes an¬ gibt und einen durch das Blockieren des Kolk>enzylinderantriebs verursachten Anstiegsbereich aufweist. Eine Umsteuerung des Kol¬ benzylinderantriebs erfolgt dann, wenn die Steigung des zeitli¬ chen Druckverlaufs bei dem aktuellen Arbeitslauf gleich der Steigung des Anstiegsbereichs der Grundkennl±nie ist. Generell wird also das Blockieren des Kolbens am Ende eines Kolbenhubes dadurch erkannt, dass ein schneller Druckanstieg erfolgt. Wenn dies der Fall ist, wird der Rückhub des Kolbens eingeleitet, um anschließend den nächsten Kolbenhub zu beginnen. Auch hierzu ist lediglich eine Druckmessung des Hydraulikdrixckes erforderlich. Ein Drehmomentsensor wird nicht benötigt.

Bei dem Drehwinkelmodus kann die Messung der Zeitdauer über min¬ destens zwei Kolbenhübe erfolgen. Gemäß eineztr bevorzugten Aus¬ gestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Beendigung ei¬ nes Kolbenhubes der Messwert der Zeitdauer gespeichert und als Anfangswert für den nächsten Kolbenhub übernommen wird. Auf diese Weise erfolgt eine Akkumulierung der überstrichenen Dreh¬ winkel, so dass der gewünschte Drehwinkel bei dem das Drehen be¬ endet werden soll, mit hoher Genauigkeit ermittelt wird. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Aus¬ führungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Diese Erläute¬ rungen sind nicht so zu verstehen, dass sie den Schutzbereich der Erfindung einschränken. Dieser wird vielmehr durch die Pa¬ tentansprüche und deren Äquivalente bestimmt _

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Schraubvor¬ richtung mit einem Hydraulikaggregat und einem Kraftschrauber zum Drehen einer Schraube, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Kraftschraubers, der den Kolbenzylinderantrieb enthält, und

Fig. 3 ein Beispiel einer Grundkennlinie des Hydrauliksystems, das aus dem Druckaggregat, den Anschlussschläuchen und dem Kolbenzylinderantrieb besteht, und

Fig. 4 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs eines aus mehreren Kolbenhüben bestehenden Arbeitslaufes.

In den Figuren 1 und 2 ist schematisch ein Kraftschrauber 10 dargestellt. Dieser weist einen hydraulischien Kolbenzylinderan¬ trieb 11 mit einem Hydraulikzylinder 12 und einem darin bewegba¬ rem Kolben 13 auf. Der Kolben ist mit einer Kolbenstange 14 ver¬ bunden, und das Ende der Kolbenstange greift an einem Hebel 15 an, welcher mit einer Rastklinke 15a an cLer Verzahnung eines Ratschenrades 17 angreift. Das Ratschenrad. 17 ist Bestandteil eines Ringstücks 18, das eine Fassung 19 zum Einstecken einer Schlüsselnuss oder eines zu drehenden Schtraubkopfes aufweist. Durch hin- und hergehendes Bewegen des Kolbens 13 wird das Ring¬ stück 18, und mit diesem die Schraube gedreht. Das Ringstück 18 ist in einem Gehäuse 20 gelagert, das auch den Kolbenzylinderan¬ trieb 11 enthält.

Der Druck für den Kolbenzylinderantrieb 11 wird von dem in Figur 1 dargestellten Hydraulikaggregat 25 geliefert, das eine Verdrängerpumpe 26, z.B. eine Zahnradpumjpe, einen drehzahlge¬ steuerten Synchronmotor und einen Tank enthiält. Der Motor treibt die Pumpe 26 an. Das Hydraulikaggregat 25 ist einer Druckleitung 28 und einer Rücklaufleitung 29 angeschlossen. Diese beiden Lei¬ tungen sind über ein Steuerventil 30 mit dem Kolbenzylinderan¬ trieb 11 verbunden. Durch Umschalten des Steuerventils 30 kann der Kolben 13 entweder vorwärts oder rückwärrts bewegt werden.

Zur Steuerung des Hydraulikaggregats 16 und des Steuerventils 30 ist das Steuergerät 31 vorgesehen. Dieses enthält einen Prequenzumrichter, der eine variierbare Antriebsfrequenz für den Motor erzeugt. Das Steuergerät 31 bestimmt somit die Drehzahl der Pumpe 17. Die Pumpendrehzahl bestimmt den Volumenstrom Q, der der Druckleitung 28 zugeführt wird.

An der Druckleitung 28 ist ein Drucksensor 32 vorgesehen, der den Hydraulikdruck p in der Druckleitung misst. Der Drucksensor ist über eine Leitung 33 mit dem Steuergerät 31 verbunden.

In dem Steuergerät 31 ist die in Figur 3 dargestellte Grundkenn¬ linie GKL des Hydrauliksystems dargestellt, die den Druck p in Abhängigkeit von der Zeit t für einen bestimmten Volumenstrom (oder eine bestimmte Pumpendrehzahl) angibt. Für andere Volumen¬ ströme bzw. Pumpendrehzahlen kann diese Kuirve entsprechend ver¬ schoben werden.

Die Grundkennlinie GKL wurde für den betreffenden Hydraulik¬ kreislauf aus den selben Aggregaten und Schläuchen aufgenommen. Die Grundkennlinie ergibt sich bei einem Leerhub des Kolbens 13 mit konstantem Volumenstrom. Zuerst erfolgt in dem Abschnitt 35 ein kurzer Druckanstieg zur Überwindung der Reibung. Dann folgt ein Abschnitt 36 konstanten Druckes während des Leerhubes. Im Punkt 37 hat der Kolben den Endanschlag erreicht, so dass er nunmehr blockiert und in dem Abschnitt 38 ein linearer Druckan¬ stieg erfolgt. Wenn der Maximaldruck pmax erreicht ist, erfolgt der Rückhub, bei dem der Druck am Drucksensor 32 auf Null herun¬ tergeht. Der Abschnitt 38 bildet den Anstiegsbereich. Der Druck¬

gradient p'=— zwischen zwei Zeitpunkten wird gemessen und in dt dem Steuergerät 31 abgelegt.

Fig. 4 zeigt einen Arbeitslauf des Kraftsclhraubers aus insgesamt 4 Kolbenhüben KHl - KH4. Aufgetragen ist euer Druckverlauf p des Drucksensors 32 über der Zeit t. Der Kolbenhub KHl weist einen Anfangsabschnitt 40 auf, der dem Abschnitt 35 von Fig. 3 ent¬ spricht. Daran schließt sich ein Abschnitt 42 an, in dem die Schraube gedreht wird, jedoch kein hohes Lastmoment erzeugt. Am Punkt 43 stößt der Kolben 13 gegen den vorderen Anschlag. Da¬ durch entsteht ein steilerer Druckaufbau., der durch den Ab¬ schnitt 44 repräsentiert wird. Während des Schraubvorganges wird in definierten Intervallen die Druckänderung im Abschnitt 42 ge¬ messen, wodurch der Gradient dp/dt besti_τnmt wird. Ist dieser Gradient kleiner als der Wert p' in Fig. 3, so ist der Zustand des Blockierens noch nicht erreicht, d.hi. die Schraube dreht sich noch. Durch Vergleich des Gradienten, im Abschnitt 42 mit dem Gradienten p' der Grundkennlinie GKL wird festgestellt, ob der Blockierzustand erreicht ist.

Im Abschnitt 44 ist der Blockierzustand erreicht, so dass sich der Abschnitt 45 anschließt, in dem derr Rückhub des Kolbens stattfindet. Es folgt dann der nächste Kolbenhub KH2. Bei dem Kolbenhub KH2 ist der Anfangsabsctinitt 40 gegenüber dem vorhergehenden Kolbenhub verlängert, und zwar bis das in Punkt 44 von KHl erreichte Drehmoment wieder erxreicht wird. Erst dann beginnt der Abschnitt 42, in dem die Schraube gegen einen Drehwiderstand gedreht wird.

Solange der Kolben nicht blockiert, entspricht der am Drucksen¬ sor 32 gemessene Druck p dem auf die Sch.ra.ube einwirkenden Dreh¬ moment. Man kann also einen Druckwert bestimmen, der einem Füge¬ moment MF entspricht. Wenn dieser Druck erreicht ist, beispiels¬ weise im Punkt 46 in Fig. 4, wird, ohne den Schraubvorgang zu unterbrechen, von dem Drehmomentmodus DMM, in dem das Drehmoment überwacht wird, auf den Drehwinkelmodus DWM übergegangen, in dem eine Drehung um einen vorgegebenen Winkelbereich durchgeführt wird. Am Anfang des Drehwinkelmodus DWM beginnt eine Zeitmessung. Diese ist durch die gleichfccrτnigen Intervalle 0 - 8 in Fig. 4 bezeichnet.

Die Zeitmessung beruht auf folgender Überlegung: Der Volumen¬ strom eines Aggregates wird in Menge pro Zeiteinheit bestimmt . Da das Füllvolumen des Hydraulikzylinders bekannt ist, kann der Kolbenweg pro Zeiteinheit bestimmt werden _ Der Kolben wirkt auf ein Hebelsystem, das letztlich die Schraube dreht. Da die Hebel¬ länge bekannt ist, kann der Drehwinkel pr-o Zeiteinheit bestimmt werden. Bei gleichem Volumenstrom, gleicher Schlauchlänge und gleichem Kraftschrauber kann die Zeit für 1° (ein Winkelgrad) bestimmt werden. Diese Zeit beträgt beispielsweise 64 ms pro 1°. Beim Verstreichen dieser Zeit während des Drehens der Schraube wird jeweils ein Winkelgrad gezählt und zu den vorher bereits überstrichenen Winkelgraden hinzugefügt. Die in Fig. 4 mit 0 bis 8 bezeichneten Intervalle entsprechen jeweils einem Winkelgrad.

Am Ende des Kolbenhubes KH2, also im Punkt 43, ist von den 64 ms eines Intervalls erst ein Teil abgelaufen. Der jeweilige Zähler- stand wird festgehalten bevor der Rückhub ausgeführt wird. Das Intervall 2 wird an dieser Stelle unterbrochen und beim nächsten Kolbenhub KH3 im Punkt 48 fortgesetzt, wenn, der Druck t die gleiche Höhe erreicht hat, mit dem der wirksame Teil des Kolben¬ hubs KH2 beendet worden ist. Das Intervall 2 wird also anschlie¬ ßend an den Punkt 48 bis zum Endwert weitergezählt. Danach be¬ ginnt das Intervall 3, gefolgt von den Intervallen 4,5,6. Das Intervall 6 wird durch das Ende des wirksamen. Teils des Kolben¬ hubes KH3 ebenfalls unterbrochen und erst im nächsten Kolbenhub KH4 fortgesetzt, sobald der Druck sich entsprechend hoch aufge¬ baut hat. Auf diese Weise kann die Zahl der Zeitintervalle fest¬ gelegt werden, die im Anschluss an das Erreichten des Fügemoments MF durchlaufen werden sollen. Diese Zahl entspricht dem gewünsch¬ ten Drehwinkelbereich.

In Fig. 4 ist der Gradient p'l = — des Abschnitts 40 darge- dt stellt, der erreicht werden muss, damit der Kraftschrauber wie¬ der an der Schraube angreift und das Moment, mit dem der vorher¬ gehende Kolbenhub geendet hat, übertroffen wird. Danach ver¬ ringert sich die Steigung im Abschnitt 42, i_n dem die Schraube festgezogen wird, bis der Blockierzustand des Kolbens erreicht ist und der Gradient p'3 sich einstellt, der gleich dem Gradien¬ ten p' in Fig. 3 ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Schraubverfahren wird die Schraube bis zum Fügemoment MF durch Bestimmung des Drehmoments anhand des gemessenen Druckes p angezogen und schließlich um ei¬ nen bestimmten Drehwinkel weitergedreht. Vor Beginn des Schraub¬ vorganges wird das Fügemoment und der Drehwirxkel manuell einge¬ geben. Diese Werte sind die Soll-Werte für cäen Verschraubungs- vorgang. Das erfindungsgemäße Drehwinkelverfahirren kann auch ohne vorheri¬ gen Drehmomentmodus durchgeführt wercLen, also als reine Winkel- drehung. Es ist auch nicht auf Schrau_bvorgänge beschränkt. Viel¬ mehr können auch Rohre oder Stangen gegen einen Drehwiderstand hydraulisch gedreht werden.