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DE19845871A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben

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Publication number
DE19845871A1
DE19845871A1 DE19845871A DE19845871A DE19845871A1 DE 19845871 A1 DE19845871 A1 DE 19845871A1 DE 19845871 A DE19845871 A DE 19845871A DE 19845871 A DE19845871 A DE 19845871A DE 19845871 A1 DE19845871 A1 DE 19845871A1
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DE
Germany
Prior art keywords
torque
max
tightening torque
tightening
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19845871A
Other languages
English (en)
Inventor
Christoph Prof Dr Ing Hartung
Dietmar Dr Ing Breisacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of DE19845871A1 publication Critical patent/DE19845871A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
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    • A61B17/58—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws or setting implements
    • A61B17/88—Osteosynthesis instruments; Methods or means for implanting or extracting internal or external fixation devices
    • A61B17/8875—Screwdrivers, spanners or wrenches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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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    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anziehen von Schrau­ ben, insbesondere in Knochenstrukturen, mit einem steuerbar an­ getriebenen Schraubsystem, bei dem während des Anziehens ein Anzugsmoment M und ein Drehwinkel ϑ ermittelt werden und in ei­ nem Gradientenverfahren ein Gradient ΔM/Δϑ aus dem Differenz­ quotienten der Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie gebildet wird, dessen Absinken nach Erreichen eines Schwellmomentes MS zur Ab­ schaltung des Schraubsystems genutzt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben, insbesondere in Knochenstrukturen, mit einem steuerbar angetriebenen Schraubsystem, welches eine Messein­ richtung zur Messung eines Anzugsmoments M und eine Winkel­ meßeinrichtung zur Messung eines Drehwinkels ϑ aufweist, die mit einer Motorsteuereinheit verbunden sind, die in Abhängig­ keit von einem Gradienten ΔM/Δϑ, der aus dem Differenzquotien­ ten der gemessenen Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie gebildet wird, nach Erreichen eines Schwellmomentes MS ein Abschalt­ signal gibt.
Aus einer Druckschrift (Bauer G.: Schraubtechnik - Schraubanla­ gen. In Bartz, W. J.; Wipler, E. (Hrsg.): Die automatisierte Montage mit Schrauben. Verfahren, Anforderungen, Rentabilitäts­ vergleiche. Ehningen: expert-Verlag 1988, Seite 116-149) ist ein Verfahren zum streckgrenzgesteuerten Anziehen von Schrauben mit einem steuerbar angetriebenen Werkzeug bekannt. Bei diesem Verfahren wird während des Anziehens der Schraube ständig der Anstieg des Drehmomentes bzw. des Anzugsmomentes über einem fi­ xen Winkelinkrement rechnerisch ermittelt. Solange die Schraube innerhalb der sogenannten Hook'schen Geraden gedehnt wird, ist der Momentenanstieg bzw. der Gradient ΔM/Δϑ, der aus dem Dif­ ferenzquotienten der Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie gebil­ det wird, konstant. Nach Überschreiten der Proportionalitäts­ grenze des Schraubenwerkstoffes fällt der Gradient stark ab. Bei einem bestimmten Abfall des Gradienten ΔM/Δϑ wird der An­ ziehvorgang beendet.
Um bei einem unregelmäßigen Momentenverlauf ein vorzeitiges Ab­ schalten vor Erreichen der Streckgrenze zu vermeiden, wird der Schraubsystemsteuerung kein absoluter Schaltgradient, sondern ein prozentualer Abfall - beispielsweise 50% - des jeweils er­ mittelten Maximalgradienten vorgegeben. Um ein vorzeitiges Ab­ schalten im unteren Bereich der Anzugsmoment/Drehwinkel- Kennlinie zu vermeiden, wurde ein sogenanntes Schwellmoment MS eingeführt.
Im Gegensatz zu den in der Technik üblichen zu verschraubenden Materialien ist Knochen ein sehr inhomogenes Material und seine Festigkeit variiert je nach Knochentyp und -zustand beträcht­ lich. Bei der Knochenverschraubung unterliegt somit das ultima­ tive Anzugsmoment starken Schwankungen. Außerdem sind die Mo­ menten/Drehwinkel-Kennlinien vor allem bei Osteoporose durch auffallende Momenteneinbrüche im Anzugsbereich charakterisiert.
Bei der Knochenverschraubung liegen daher weder Vorinformatio­ nen über die Knochenfestigkeit noch über das maximale Anzugsmo­ ment und den maximalen Eindrehwinkel vor. Das Problem bei der Anwendung des bekannten streckgrenzgesteuerten Anziehverfahrens liegt insbesondere in der Knochenchirurgie somit in den starken Nichtlinearitäten im Anzugsbereich der Anzugsmoment/­ Drehwinkel-Kennlinie.
Nachteilig bei dem streckgrenzgesteuerten Anziehverfahren ist, daß es nicht in der Lage ist, Frühabschaltungen infolge von Mo­ menteneinbrüchen zu verhindern.
Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es daher, das bekannte streckgrenzgesteuerte Anziehverfahren so zu verbessern, daß Frühabschaltungen infolge von Momenteneinbrüchen verhindert werden, und daß das Verfahren auch in der Knochenchirurgie an­ wendbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das maxi­ male Anzugsmoment MMax nach einem vorgegebenen Einschraubalgo­ rithmus als geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max geschätzt wird, und daß bei Erreichen des aus dem geschätzten maximalen Anzugsmoment M*Max gebildeten Schwellwertes MS das Gradientenver­ fahren mit der Abschaltbedingung Gradient ΔM/Δϑ ≦ O gestartet wird.
Durch die Schätzung des maximalen Anzugsmomentes MMax nach einem vorgegebenen Einschraubalgorithmus wird die Gefahr von Frühab­ schaltungen infolge von Momenteneinbrüchen erheblich verrin­ gert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der vorgegebene Einschraubalgorithmus durch eine lineare Regressi­ onsanalyse in Einschraubversuchen aus dem Zusammenhang von ma­ ximalem Anzugsmoment MMax und der Eindrehenergie E, die sich aus der Fläche unterhalb der Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie er­ gibt, während des Gewindeschneidprozesses beim Gewindevor­ schneiden bzw. beim Gewindeschneiden mit einer selbstschneiden­ den Schraube ermittelt.
Grundsätzlich ist es auch möglich, den aus Einschraubversuchen gewonnenen Einschraubalgorithmus durch Einbeziehung der bei in-vivo-Anwendungen beim Einschrauben gewonnenen Daten zu erwei­ tern, so daß ein "lernendes System" entsteht, bei dem die Zu­ verlässigkeit der Abschätzung des maximalen Anzugsmomentes mit steigender Anwendung, genauer wird.
Durch die lineare Regressionsanalyse des Zusammenhanges von ma­ ximalem Anzugsmoment MMax und der Eindrehenergie E werden Vor­ informationen gewonnen, die eine zuverlässige Abschätzung des maximalen Anzugsmomentes MMax bzw. des geschätzten maximalen An­ zugsmomentes M*Max aus der durch Integration der Anzugsmo­ ment/Drehwinkel-Kennlinie ermittelten Eindrehenergie ermögli­ chen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei menschlichen Halswirbelkörpern das geschätzte maximale Anzugsmoment M*Max mit der Eindrehenergie E|8UMDR nach 8 Umdre­ hungen geschätzt.
Das geschätzte maximale Anzugsmoment M*Max für einen Schraubfall ohne Gewindevorschnitt wird nach der Gleichung
geschätzt.
Durch die Schätzung des maximalen Anzugsmomentes M*Max mit der Eindrehenergie E|8UMDR nach 8 Umdrehungen, wird den anatomischen Verhältnissen des menschlichen Halswirbelwirbelkörpers und der OP-Vorschrift für das Einbringen von Spongiosa-Schrauben (1,75 mm Gewindesteigung) mit maximal 8 zulässigen Umdrehungen Rech­ nung getragen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das maximale Anzugsmoment MMax als geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max für einen Schraubfall mit einem Gewindevor­ schnitt nach der Gleichung
geschätzt.
Bei dem Schraubfall mit Gewindevorschnitt liegt bei Beginn des Anziehvorganges das geschätzte maximale Anzugsmoment M*Max somit bereits vor.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der vorgegebene Einschraubalgorithmus durch eine lineare Regressionsanalyse in Einschraubversuchen aus dem Zusammenhang von maximalen Anzugsmoment MMax und dem Gradienten ΔM/Δϑ der An­ zugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie ermittelt. Bei menschlichen Halswirbelkörpern wird das geschätzte maximale Anzugsmoment M*Max bei einem vorgegebenen absoluten Schwellmoment MSabs ermit­ telt.
Das geschätzte maximale Anzugsmoment M*Max wird bei einem abso­ luten Schwellmoment MSabs von 300 mNm nach der Gleichung
geschätzt.
M*Max wird somit ohne Ermittlung der Eindrehenergie E|8UMDR ge­ schätzt.
Dadurch ist es möglich, das Schraubsystem auch unabhängig vom Gewindeschneidprozeß einzusetzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung muß die Abschaltbedingung in Abhängigkeit von einem Anzugsbe­ reich MA/M*Max für eine vorgegebene Anzahl von Winkelschritten mit negativer Sekantensteigung bzw. Gradienten erreicht werden.
Dadurch wird eine Staffelung der Abschaltempfindlichkeit mög­ lich. Der Schraubvorgang bzw. Anziehvorgang wird demnach nur dann abgebrochen, wenn die Abschaltbedingung ΔM/Δϑ ≦ 0 gilt und dazu eine vorgegebene Anzahl von Winkelschritten mit negativer Sekantensteigung, sogenannten Descent-Steps, ohne Unterbrechung erreicht ist. Dadurch wird die Zahl möglicher Frühabschaltungen verringert.
Die einzelnen Ausführungsformen und Einschraubalgorithmen kön­ nen auch miteinander kombiniert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein erstes geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max1 in Ab­ hängigkeit von der Eindrehenergie E beim Gewindeschneiden und ein zweites geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max2 mittels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ im Anzugsbereich bei einem Schwell­ moment MS = 0,3 M*Max1. abgeschätzt. Aus dem ersten geschätzten maximalen Anzugsmoment M*Max1 und dem zweiten geschätzten maxima­ len Anzugsmoment M*Max2 wird ein Gesamtschätzwert M*Max nach der Gleichung M*Max = K1.M*Max1+K2.M*Max2, mit K1 und K2 als Gewichtungs­ faktoren, gebildet.
Die Sicherheit der Schätzung des maximalen Anzugsmomentes MMax wird durch die zweifache Abschätzung noch erhöht.
Aus der DE 27 58 674 C2 ist eine Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben mit einem steuerbar angetriebenen Schraubsystem be­ kannt. Das Schraubsystem weist eine Meßeinrichtung zur Messung des Anzugsmoments M und eine Winkeleinrichtung zur Messung ei­ nes Drehwinkels ϑ auf. Die Meßeinrichtungen sind mit einer Mo­ torsteuereinheit verbunden, die eine Berechnungsschaltung zur Berechnung der Steigung der Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie bzw. eines Gradienten ΔM/Δϑ aufweist. Zum Vergleich mit einem Schwellmoment MS enthält die Motorsteuereinheit einen Verglei­ cher, der nach Erreichen des Schwellmoments MS eine Schaltein­ richtung aktiviert und nach Durchlaufen eines Bereiches negati­ ver oder geringerer Steigung ein Abschaltsignal abgibt.
Diese Vorrichtung ist für selbstschneidende Schrauben in Bau­ teilverbindungen aus einer Vielzahl verschiedener Materialien geeignet. Sie sieht eine getrennte Steuerung für den Gewinde­ schneidvorgang und für den endgültigen Festziehvorgang vor.
Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß sie nur für selbst­ schneidende Schrauben geeignet ist, die eine Anzugsmo­ ment/Drehwinkel-Kennlinie aufweisen, die bei mittleren Anzugs­ momenten einen Bereich geringer oder negativer Steigung durch­ läuft.
Nachteilig ist weiter, daß auftretende starke Nichtlinearitäten bzw. Momenteneinbrüche im Anzugsbereich der Anzugsmoment/Dreh­ winkel-Kennlinie, die insbesondere bei Knochenverschraubungen auftreten, Frühabschaltungen zur Folge haben.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannte Vorrichtung so zu verbessern, daß Frühabschaltungen infolge von Momenteneinbrüchen verhindert werden, und das vor­ her beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mo­ torsteuereinheit mindestens einen Mikrocontroller aufweist, in dem mindestens ein Einschraubalgorithmus speicherbar ist, mit dessen Hilfe das maximale Anzugsmoment MMax als geschätztes ma­ ximales Anzugsmoment M*Max von dem Mikrocontroller aus den Wer­ ten der Meßeinrichtungen abschätzbar ist.
Durch die Speicherung eines Einschraubalgorithmus in dem Mikro­ controller, der mit Hilfe des Einschraubalgorithmus das maxima­ le Anzugsmoment MMax abschätzt, wird vorteilhaft verhindert, daß vor Erreichen des maximalen Anzugsmomentes MMax bzw. des ge­ schätzten maximalen Anzugsmomentes M*Max infolge von Momenten­ einbrüchen der Anziehvorgang unerwünscht abgebrochen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schraubsystem auf eine Trainingseinheit aufsetzbar, über die das Schraubsystem kalibrierbar ist. Dabei sind über die Trainingseinheit vorgegebene Anzugsmomente auf das Schraub­ system aufprägbar.
Durch die Verwendung der Trainingseinheit ist es auf einfache Weise möglich, das Schraubsystem zu kalibrieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mit der Trainingseinheit das Anziehen von Schrauben simu­ lierbar. Dazu weist die Trainingseinheit einen Simulator auf, auf dem das Handstück des Schraubsystems aufsteckbar ist. Damit ist es möglich, die Handhabung des Schraubsystems in vitro zu trainieren.
Es ist aber auch möglich, daß Eindrehen bzw. Anziehen von Schrauben mit einem Werkzeug von Hand zu trainieren.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeich­ nungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Eine Darstellung eines Schraubsystems mit Basisein­ heit, Handstück und Fußschalter,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Handstückes im Schnitt,
Fig. 3 ein Schraubsystem als Blockschaltbild,
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Motorsteuereinheit von Fig. 3,
Fig. 5 ein Blockschaltbild der Meßelektronik einer Motor­ strommeßeinrichtung,
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Einschraubalgorith­ mus mit einfacher Abschätzung von M*Max bei Verwendung eines Gradientenverfahrens mit gestaffelter Abschalt­ empfindlichkeit,
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines dritten Einschraubalgorith­ mus mit einer zweifachen Abschätzung von M*Max mit Ge­ wichtsfaktoren K1 und K2 für die Einzelschätzungen unter Verwendung eines Gradientenverfahrens mit ge­ staffelter Abschaltempfindlichkeit,
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm eines vierten Einschraubalgorith­ mus mit einer zweifachen Abschätzung von M*Max und ei­ ner Gewichtung der Einzelschätzungen mit Gewichtsfak­ toren K1 und K2 und einer Abschätzung eines Restan­ zugswinkeis ϑRA unter Verwendung eines Gradientenver­ fahrens mit gestaffelter Abschaltempfindlichkeit,
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines fünften Einschaubalgorithmus mit einfacher Abschätzung von M*Max aus einem Gewinde­ schneidprozeß unter Verwendung eines Gradientenver­ fahrens mit einfacher Abschaltbedingung ΔM/Δϑ ≦ 0,
Fig. 10 ein Ablaufdiagramm eines sechsten Einschraubalgorith­ mus mit zweifacher Abschätzung von M*Max mit Gewichts­ faktoren K1 und K2 der Einzelschätzungen unter Verwen­ dung eines Gradientenverfahrens mit gestaffelter Ab­ schaltempfindlichkeit,
Fig. 11 ein Ablaufdiagramm eines siebenten Einschraubalgo­ rithmus mit zweifacher Abschätzung von M*Max mit den Gewichtsfaktoren K1 und K2 der Einzelschätzungen und einer Abschätzung des Restanzugswinkels ϑRA unter Ver­ wendung eines Gradientenverfahrens mit gestaffelter Abschaltempfindlichkeit,
Fig. 12 ein Ablaufdiagramm eines achten Einschraubalgorithmus mit einfacher Abschätzung von M*Max und einer Abschät­ zung des Restanzugswinkels ϑRA unter Verwendung eines Gradientenverfahrens mit gestaffelter Abschaltemp­ findlichkeit,
Fig. 13 ein Ablaufdiagramm eines neunten Einschraubalgorith­ mus mit einfacher Abschätzung von M*Max bei einem ab­ soluten Schwellmoment MS mittels einer Sekantenstei­ gung ΔM/Δϑ unter Verwendung eines Gradientenverfah­ rens mit gestaffelter Abschaltempfindlichkeit,
Fig. 14 eine Darstellung des Prinzips der Abschätzung eines zu verbleibenden Restanzugswinkels ϑRA mittels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ unterhalb eines Schwellmomen­ tes MS = 0,5 M*Max,
Fig. 15 ein Flußdiagramm für den Einschraubalgorithmus von Fig. 6,
Fig. 16 eine Darstellung einer Trainingseinheit mit aufge­ setztem Handstück,
Fig. 17 eine Vorderansicht eines Kalibrieraufbaues mit einem Handstück eines Schraubsystems, Simulator und Stativ,
Fig. 18 eine Vorderansicht eines Simulators einer Trainings­ einheit,
Fig. 19 eine Draufsicht auf den Simulator von Fig. 18 und
Fig. 20 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit für einen Simulator.
Eine Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben besteht im wesent­ lichen aus einem steuerbar angetriebenen Schraubsystem (1), das mit einem Personalcomputer (2) verbunden ist. Das Schraubsystem (1) besteht aus einem Handstück (3), einer Basiseinheit (4) und einem Fußschalter (5).
Das Handstück (3) besteht im wesentlichen aus einer Motor- Getriebe-Einheit und einem optischen Drehwinkelgeber (7) einer Winkelmeßeinrichtung (55), die beide von einem V2A-Stahlgehäuse (8) umgeben sind. Auf der Abtriebswelle (9) der Motor-Getriebe- Einheit (6) ist ein Adapter (10) aus V2A-Stahl mit einem klei­ nen Dreibackenfutter (11) zur Aufnahme eines Werkzeuges (12) befestigt. Das Werkzeug (12) kann als Bohrer, Gewindeschneider oder als Sechskant für die Verschraubung von Osteosynthese­ schrauben ausgebildet sein. Aber auch die Aufnahme anderer Werkzeuge ist möglich.
Die Motor-Getriebeeinheit (6) besteht aus einem Gleichstrommo­ tor, der als Glockenankermotor ausgebildet ist, und aus einem Planetengetriebe. Mit der Motor-Getriebe-Einheit (6) ist für den Schraubfall ein Lastmoment von 0,8 Nm im Dauerbetrieb mög­ lich, das auch kurzzeitig auf bis zu 2,0 Nm ansteigen kann.
Der optische Drehwinkelgeber (7) ist direkt über eine Welle mit dem Motor verbunden. Er weist den inkrementalen, optischen Drehwinkelgeber (7) auf, der aus einer rotierenden Metallschei­ benblende besteht, die mit optoelektronischen Miniaturlicht­ schranken abgetastet wird. Der Drehwinkelgeber (7) zeigt insge­ samt 500 Impulse pro Umdrehung. Durch eine entsprechende Elek­ tronik wird diese Auflösung vervierfacht. Somit ist eine Dreh­ winkelauflösung von Δϑ=360°/(4.500)=0,18° möglich.
Die Basiseinheit (4) weist im wesentlichen eine Meßeinrichtung (13) zur Messung eines Anzugsmomentes M und eine Motorsteuer­ einheit (14) auf. Die Meßeinrichtung (13) ist als eine Motor­ strommeßeinrichtung (15) zur indirekten Messung des Anzugsmo­ mentes M über den Motorstrom IA ausgebildet. Die Motorstrom­ meßeinrichtung (15) weist eine Meßelektronik (16) auf. Der Mo­ torstrom bzw. Ankerstrom IA wird dabei über einen Meßwiderstand (17) von 100 mΩ, der in Reihe zwischen Motor-Steuereinheit (14) und Motor gestaltet ist, gemessen. Das Spannungssignal U wird anschließend von einem Meßverstärker (18) mit einem Ver­ stärkungsfaktor V = 5 vorverstärkt. Da die Strommessung auf ei­ nem relativ hohen Potential von 28 Volt erfolgt (Betriebs­ spannung des Motors), die Betriebspotentiale der Verstärkerstu­ fen jedoch nur ± 15 Volt betragen, ist zur Überwindung der Po­ tentialunterschiede in der nächsten Stufe ein Trennverstärker (19) mit der Verstärkung V = 1 geschaltet. Der anschließende aktive Bessel-Tiefpaß (20) 3. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 100 Hz dient der Glättung des bis dahin gepulsten Meßsi­ gnals. Durch die zusätzliche Verstärkung des Meßsignals ergibt sich die Gesamtverstärkung der Schaltung zu V = 10. Um unabhän­ gig von der Drehrichtung des Motors ein positives Ausgangs­ signal der Meßelektronik (16) zu erhalten, folgt der Filterstu­ fe ein Präzisionsgleichrichter (21). Hierbei handelt es sich um einen Vollweggleichrichter mit geerdetem Ausgang. Nach erfolg­ tem Nullabgleich wird das aufbereitete Meßsignal UM einen 8-Bit-Analog-Digital-Umsetzer (27) der Motorsteuereinheit (14) zugeführt.
Die Motorsteuereinheit (14) besteht im wesentlichen aus einem zentralen Mikrocontroller (22) bzw. Mikroprozessor vom Typ 68 HC 11, einem Motorcontroller vom Typ HCTL-1100 sowie einem Lei­ stungsverstärker (24). Für das Schraubsystem erfolgt mit der Motorsteuereinheit (14) ein Drehzahlregelbetrieb. Der Mikrocon­ troller (22) übergibt dem Motorcontroller (23) hierzu die Soll­ werte für Drehzahl und Winkelbeschleunigung. Mit Hilfe der ak­ tuellen Drehwinkelposition und einem integrierten programmier­ baren digitalen Filter berechnet der Motorcontroller die not­ wendigen Ansteuerdaten für den Motor. Das Ergebnis steht als pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal mit der entsprechenden Polarität an den Signalleitungen PWM und "Drehrichtung" für den folgenden Leistungsverstärker (24) zur Verfügung.
Der Leistungsverstärker (24) besteht hauptsächlich aus einer H- Brücken-Ausgangsstufe mit MOSFETs, die entsprechend den Steuer­ signalen PWM und "Drehrichtung" gesperrt bzw. durchgeschaltet werden. Die Pulsbreitenmodulationsfrequenz für die Motorsteuer­ einheit beträgt 25 kHz.
Da der zentrale Mikrocontroller (22) durch den Motorcontroller (23) von der aufwendigen Berechnung der Motorsteuerdaten entla­ stet wird, kann er weitere Aufgaben übernehmen. Der Mikrocon­ troller (22) empfängt über eine serielle Schnittstelle (25) vom Personalcomputer (2) die Befehle für seine einzelnen Betriebs­ arten des Schraubsystems (1), die er in die entsprechenden Steuerbefehle für den Motorcontroller (23) umwandelt und dort­ hin übermittelt. Gleichzeitig dient die Schnittstelle (25) auch zur Übertragung von mit dem Schraubsystem (1) aufgenommenen An­ zugsmoment/Drehwinkel-Kennlinien. Weiter steuert der Mikrocon­ troller (22) entsprechend der angewählten Betriebsart eine Sta­ tusanzeige (26) mit Lumineszenzdioden an. Über den Fußschalter (5) kann die Drehzahl des Schraubsystems (1) stufenlos geregelt werden. Der Fußschalter (5), der einen Hallsensor als Signalge­ ber aufweist, liefert eine der Schalterstellung proportionale Ausgangsspannung, die über einen nachfolgenden Spannungsteiler auf 0 bis 5 Volt begrenzt wird. Dieses analoge Drehzahlsignal wird anschließend mit einem internen 8-Bit-Analog-Digital- Umsetzer (28) des Mikrocontrollers (22) digitalisiert, durch den Mikrocontroller (22) in den entsprechenden Motorsteuerbe­ fehl umgewandelt und dem Motorcontroller (23) gesendet. Bei der Betriebsart Schrauben mit Einschraubalgorithmus wird mit einer konstanten Drehzahl von 30 min-1 gefahren. Der Fußschalter (5) übernimmt hier lediglich die Funktion einer Notaus-Taste.
Die eigentliche Hauptaufgabe des Mikrocontrollers (22) besteht in der Regelung des Einschraubvorganges. Hierzu liefert der Mo­ torcontroller (23) die aktuelle Position des Drehwinkelgebers (7) und die Motorstrommeßeinrichtung (15) eine dem Motorstrom IA proportionale Spannung zwischen 0 und 5 Volt. Ein im Mikro­ controller (22) integrierter 8-Bit-Analog-Digital-Umsetzer (27) wandelt die Signalspannung U der Motorstrommeßeinrichtung (15) in ein digitales Signal und berechnet daraus mit einer Kali­ brier-Kennlinie das dazugehörige Anzugsmoment M.
Mit Hilfe des gemessenen Drehwinkels ϑ und des Anzugsmoments M sowie eines implementierten Einschraubalgorithmus wird der Ab­ schaltzeitpunkt für das Schraubsystem (1) bestimmt und der Mo­ tor gestoppt.
Die Regelung der Motordrehzahlen wird durch den Motorcontroller (23) komplett übernommen. Dazu führt der Motorcontroller (23) intern eine Positionierregelung durch. Nach jeder Abtastung wird mit Hilfe der vorgegebenen linearen Beschleunigung und Drehzahl die nächste Sollposition vom Motorcontroller (23) be­ stimmt. Aus der aktuellen Position des Drehwinkelgebers (7) wird dann der Positionsfehler berechnet, der wiederum vom digi­ talen Filter des Motorcontrollers verwendet wird, um die neuen Motorsteuerdaten zu berechnen und auszugeben.
Nach einem Neustart des Schraubsystems (1) initialisiert der Mikrocontroller (22) den digitalen Filter des Motorcontrollers (23). Sobald der Mikrocontroller (22) danach einen Steuerbefehl vom Personalcomputer (2) empfangen hat, wird der Befehl inter­ pretiert und die Routine der gewählten Betriebsart gestartet. Je nach Betriebsart werden die Motorsteuerbefehle, wie Start, Stop, Vorgabe der Solldrehzahl oder -winkelbeschleunigung und andere, dem Motorcontroller (23) übermittelt und die Statusan­ zeige (26) angesteuert.
Für die Betriebsarten Bohren, Gewindeschneiden und Schrauben ohne Einschraubalgorithmus ist eine stufenlose Drehzahlregelung im Links- und Rechtslauf möglich, bei der der Mikrocontroller (22) kontinuierlich die Drehzahlvorgabe des Fußschalters (5) in die Solldrehzahl des Motorcontrollers (23) umwandelt und ihm sendet. Während beim Bohren die Drehzahl auf 400 min-1 begrenzt ist, kann beim Schrauben und Gewindeschneiden nur mit max. 60 min-1 gefahren werden. Bei der Betriebsart Schrauben mit Ein­ schraubalgorithmus berechnet das Mikrocontrollerprogramm den Abschaltzeitpunkt für den Schraubvorgang bei konstanter Dreh­ zahl von 30 min-1 im Rechtslauf aus den Daten der Meßeinrichtung (13) bzw. Motorstrommeßeinrichtung (15) und dem aktuellen Dreh­ winkel ϑ des Motorcontrollers (23).
Bei einer Aufnahme von Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinien wird bei konstanter Drehzahl von 30 min-1 im Rechtslauf für eine vor­ gegebene Anzahl von Umdrehungen der aktuelle Drehwinkel ϑ und das Anzugsmoment M gemessen und vom Mikrocontroller (22) zwi­ schengespeichert. Im Anschluß an die Kennlinienaufnahme werden die Wertepaare Anzugsmoment/Drehwinkel über die serielle Schnittstelle (25) dem Personalcomputer (2) übertragen.
Zum Schutz der Motor-Getriebe-Einheit (6) ist zusätzlich eine Überstromschutzeinrichtung im Mikrocontroller-Programm vorhan­ den. Sobald der zulässige Spitzen- oder Dauermotorstrom über­ schritten wird, führt dies zur Motorabschaltung. Nachdem die gewählte Betriebsart durch den Anwender oder aber durch den Be­ triebsablauf selbst (Schrauben mit Einschraubalgorithmus, Kenn­ linienaufnahme u. a.) beendet wurde und der Mikrocontroller (23) dem Personalcomputer (2) den Status der Betriebsroutine übermittelt hat, steht der Mikrocontroller (22) für den näch­ sten Befehl des Personalcomputers (2) zur Verfügung.
In einem Speicher des Mikrocontollers (22) sind verschiedene Einschraubalgorithmen zur Regelung des Einschraubvorganges von Knochenschrauben gespeichert.
Die vorgegebenen Einschraubalgorithmen basieren auf dem Zusam­ menhang zwischen maximalem Anzugsmoment MMax und der Eindreh­ energie E
bzw. zwischen maximalen Anzugsmoment MMax und dem Gradienten ΔM/Δϑ der Anzugsmoment/Drehwinkel- Kennlinie, der durch eine lineare Regressionsanalyse in Ein­ schraubversuchen während des Gewindeschneidprozesses beim Ge­ windevorschneiden bzw. beim Gewindeschneiden mit einer selbst­ schneidenden Schraube und während des Anzugsvorganges ermittelt wurde. Auf Grundlage dieses Zusammenhanges wird beim Ein­ schraubvorgang bin geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max ab­ geschätzt und daraus ein Schwellmoment MS bestimmt, bei dessen Erreichen das Gradientenverfahren mit der Abschaltbedingung ΔM/Δϑ≦0 und gegebenenfalls weiteren Bedingungen gestartet wird.
Die lineare Regressionsanalyse erfolgt nach der Form:
Y = b.x + a
mit Y als abhängiger Zufallsvariablen, X als unabhängiger Zu­ fallsvariablen, a als Achsenabschnitt der Regressionsgeraden und b als Regressionskoeffizient der Regressionsgeraden.
Für Knochenverschraubungen, insbesondere für das Eindrehen von Schrauben in einen Halswirbelkörper, wurden die folgenden Ein­ schraubalgorithmen entwickelt.
Ein erster Einschraubalgorithmus für einen Schraubfall ohne Ge­ windevorschnitt gliedert sich im wesentlichen in zwei Abschnit­ te:
  • 1. Abschätzung des maximal zu erwartenden Anzugsmomentes MMax mit der Eindrehenergie E, die nach der Formel
    während des Gewindeschneidprozesses nach 8 Schraubenumdrehungen berechnet wird. Der Schätzwert M*Max für das maximale Anzugsmo­ ment ergibt sich dabei aus einer ermittelten Regressionsgeraden der Eindrehenergie E|8UMDR nach 8 Schraubenumdrehungen und dem maximalen Anzugsmoment MMax nach der Gleichung:
  • 2. Beginn des Gradientenverfahrens bei einem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max mit der Abschaltbedingung ΔM/Δϑ≦0.
In einem zweiten Einschraubalgorithmus für einen Schraubfall ohne Gewindevorschnitt wird zusätzlich eine Staffelung der Ab­ schaltempfindlichkeit eingeführt. Der Schraub- bzw. Anziehvor­ gang wird demnach nur dann abgebrochen, wenn Δϑ≦0 gilt, und da­ zu eine vorgegebene Anzahl von Winkelschritten mit negativer Sekantensteigung, sogenannten Descent-Steps, ohne Unterbrechung erreicht ist. Min geringer werdender Momentendifferenz ΔM = M*Max -M wird die Zahl zulässiger Descent-Steps stufenweise gesenkt und damit die Abschaltempfindlichkeit erhöht. Die Staf­ felung ist in der folgenden Tabelle angegeben:
Ein Ablaufdiagramm des zweiten Einschraubalgorithmus ist in Fig. 6 vereinfacht dargestellt. Ein Flußdiagramm für den zweiten Einschraubalgorithmus ist in Fig. 15 dargestellt.
In einem dritten Einschraubalgorithmus für einen Schraubfall ohne Gewindevorschnitt wird eine zweite Abschätzung eines ge­ schätzten maximalen Anzugsmomentes M*Max2 mittels der Eindre­ henergie E im Anzugsbereich der Anzugsmoment/Drehwinkel-Kenn­ linie bei einem Schwellmoment MS= 0,5 M*Max1 durchgeführt, um die Sicherheit der Schätzung des maximalen Anzugsmomentes MMax zu erhöhen. M*Max1 ist dabei der Schätzwert für das maximale An­ zugsmoment aus der ersten Schätzung des Gewindeschneidprozes­ ses. Die Schätzungen werden entsprechend den Korrelations­ koeffizienten aus der Regressionsanalyse mit den Faktoren K1 und K2 gewichtet, um die Güte der einzelnen Schätzungen zu be­ rücksichtigen. Der Gesamtschätzwert M*Max ergibt sich somit aus der Summe der gewichteten Einzelschätzungen M*Max1 und M*Max2.
Der dritte Einschraubalgorithmus kann daher in die folgenden Schritte eingeteilt werden:
  • 1. Berechnung des ersten Schätzwertes des maximalen Anzugsmo­ mentes M*Max1 nach der Gleichung:
  • 2. Abschätzung bzw. Berechnung des maximalen Anzugsmomentes M*Max aus der Eindrehenergie E bei dem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max1. Der zweite Schätzwert M*Max2 ergibt sich aus der Regressionsgeraden nach der Gleichung:
  • 3. Bestimmung des Gesamtschätzwertes M*Max nach der Glei­ chung:
    M*Max = K1.M*Max1 + K2.M*Max2.
    Die Gewichtungsfaktoren K1 und K2 betragen nach den Korre­ lationskoeffizienten der ersten und der zweiten Schätzung 0,4 und 0,6.
  • 4. Beginn des Gradientenverfahrens beim Schwellmoment MS=0,5 M*Max mit der Staffelung der Abschaltempfindlich­ keit des zweiten Einschraubalgorithmus.
Ein Ablaufdiagramm des dritten Einschraubalgorithmus mit zwei­ facher Abschätzung des maximalen Anzugsmomentes ist in Fig. 7 dargestellt.
Nach einem vierten Einschraubalgorithmus für einen Schraubfall ohne Gewindevorschnitt wird zusätzlich zur zweifachen Abschät­ zung des maximalen Anzugsmomentes MMax ein Restanzugswinkel ϑRA mittels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ bei einem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max abgeschätzt. In einer weiteren Abschaltbedingung wird der geschätzte Restanzugswinkel ϑ*RA in einem modifizier­ ten Gradientenverfahren berücksichtigt.
Der vierte Einschraubalgorithmus gliedert sich somit in die nachstehenden fünf Schritte:
  • 1. Berechnung des ersten Schätzwertes des maximalen Anzugs­ momentes M*Max1 nach der Gleichung aus der Eindrehenergie E während des Gewindeschneidprozesses nach 8 Schraubenum­ drehungen, entsprechend dem dritten Einschraubalgorithmus.
  • 2. Berechnung des zweiten Schätzwertes des maximalen Anzugs­ momentes M*Max2 nach der Gleichung aus der Eindrehenergie E während des Anzugsvorganges beim Schwellmoment MS=0,5M*Max1 entsprechend dem dritten Einschraubalgorithmus.
  • 3. Bestimmung des Gesamtschätzwertes M*Max entsprechend dem dritten Einschraubalgorithmus.
  • 4. Abschätzung des geschätzten Restanzugswinkels ϑ*RA mittels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ der Anzugsmoment/Dreh­ winkel-Kennlinie beim Schwellmoment MS = 0,5 M*Max.
  • 5. Beginn des Gradientenverfahrens bei dem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max mit einer Staffelung der Abschaltempfindlich­ keit nach der folgenden Tabelle:
Das Prinzip der Abschätzung des zu verbleibenden Restanzugswin­ kels ϑRA ist in der Fig. 14 dargestellt.
Ein Ablaufdiagramm des vierten Einschraubalgorithmus ist in Fig. 8 dargestellt.
Ein fünfter Einschraubalgorithmus für einen Schraubfall mit Ge­ windevorschnitt gliedert sich im wesentlichen in die nachste­ henden Arbeitsschritte:
  • 1. Bestimmung des Schätzwertes des maximal zu erwartenden An­ zugsmomentes MMax mit der berechneten Eindrehenergie E aus dem Gewindeschneidprozeß nach 8 Umdrehungen des Gewinde­ schneiders. Der Schätzwert M*Max für das maximale Anzugs­ moment ergibt sich aus der ermittelten Regressionsgeraden nach der Gleichung:
  • 2. Beginn des Gradientenverfahrens bei dem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max mit der einfachen Abschaltbedingung ΔM/Δϑ≦0 bzw. mit der gestaffelten Abschaltempfindlichkeit nach der Ta­ belle des zweiten Einschraubalgorithmus.
Für den Schraubvorgang mit Gewindevorschnitt liegt der Schätz­ wert M*Max somit bereits vor dem Einschraub- bzw. Anziehvorgang vor.
Ein Ablaufdiagramm für den fünften Einschraubalgorithmus mit der einfachen Abschaltbedingung ist in Fig. 9 dargestellt.
In einem sechsten Einschraubalgorithmus für einen Schraubfall mit Gewindevorschnitt wird eine zweite Abschätzung mittels der Sekantensteigung bzw. des Gradienten ΔM/Δϑ im Anzugsbereich bei einem Schwellmoment MS = 0,3 M*Max1 vorgenommen. M*Max1 ergibt sich dabei aus der ersten Schätzung des Gewindeschneidprozesses mit Gewindeschneider. Entsprechend der Güte der Einzelschätzun­ gen beträgt der Gewichtungsfaktor der ersten Schätzung K1 = 0,4 und der Gewichtungsfaktor der zweiten Schätzung K2= 0,6.
Der sechste Einschraubalgorithmus gliedert sich im wesentlichen in die folgenden Abschnitte:
  • 1. Berechnung des ersten Schätzwertes des maximalen Anzugs­ momentes M*Max aus der Eindrehenergie E entsprechend der Gleichung des fünften Einschraubalgorithmus.
  • 2. Zweite Abschätzung des maximalen Anzugsmomentes MMax mit­ tels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ im Anzugsbereich bei dem Schwellmoment MS = 0,3 M*Max1. Der zweite Schätzwert M*Max2 berechnet sich aus der Regressionsgeraden nach der Glei­ chung:
  • 3. Bestimmung des Gesamtschätzwertes M*Max nach der Gleichung des dritten Einschraubalgorithmus mit den Gewichtsfaktoren K1= 0,4 und K2 = 0,6.
  • 4. Beginn des Gradientenverfahrens bei dem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max mit der Staffelung der Abschaltempfindlichkeit entsprechend dem zweiten Einschraubalgorithmus.
Das Ablaufdiagramm des sechsten Einschraubalgorithmus ist in Fig. 10 dargestellt.
In einem siebenten Einschraubalgorithmus für einen Schraubfall mit Gewindevorschnitt wird zusätzlich der Restanzugswinkel ϑRA abgeschätzt und sein Schätzwert ϑ*RA in den Abschaltbedingungen des Gradientenverfahrens berücksichtigt.
Der siebente Einschraubalgorithmus wird in die folgenden fünf Abschnitte unterteilt:
  • 1. Berechnung des ersten Schätzwertes M*Max entsprechend dem sechsten Einschraubalgorithmus.
  • 2. Berechnung des zweiten Schätzwertes des maximalen Anzugs­ momentes M*Max entsprechend dem sechsten Einschraubalgo­ rithmus.
  • 3. Bestimmung des Gesamtschätzwertes M*Max entsprechend dem sechsten Einschraubalgorithmus mit den Gewichtungsfaktoren K1 = 0,4 und K2 = 0,6.
  • 4. Bestimmung des geschätzten Restanzugswinkels ϑ*RA mittels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ der Anzugsmoment/Drehwinkel- Kennlinie beim Schwellmoment MS = 0,5 M*Max.
  • 5. Beginn des Gradientenverfahrens bei dem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max mit der Staffelung der Abschaltempfindlich­ keit entsprechend der Tabelle des vierten Einschraubalgo­ rithmus.
Das Ablaufdiagramm des siebenten Einschraubalgorithmus ist in Fig. 11 dargestellt.
Ein achter Einschraubalgorithmus für einen Schraubfall ohne Ge­ windevorschnitt gliedert sich im wesentlichen in die Abschnit­ te:
  • 1. Abschätzung bzw. Berechnung des Schätzwertes des maximalen Anzugsmomentes M*Max aus der Eindrehenergie E während des Gewindeschneidprozesses nach acht Schraubenumdrehungen.
  • 2. Bestimmung des geschätzten Restanzugswinkels ϑ*RA mittels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ der Anzugsmoment/Drehwin­ kel-Kennlinie beim Schwellmoment MS = 0,5 M*Max.
  • 3. Beginn des Gradientenverfahrens bei dem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max mit der Staffelung der Abschaltempfindlich­ keit nach der folgenden Tabelle.
Das Ablaufdiagramm des achten Einschraubalgorithmus ist in Fig. 12 dargestellt.
Um das Schraubsystem auch unabhängig vom Gewindeschneidprozeß einsetzen zu können, gliedert sich ein neunter Einschraubalgo­ rithmus in die nachstehenden Schritte:
  • 1. Berechnung des Schätzwertes des maximalen Anzugsmomentes M*Max mittels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ bei einem absolu­ ten Schwellmoment von MSABS = 300 mNm gemäß der folgenden Gleichung einer Regressionsgeraden:
  • 2. Beginn des Gradientenverfahrens bei dem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max mit der Staffelung der Abschaltempfindlich­ keit entsprechend der Staffelung des zweiten Einschraub­ algorithmus.
Ein Ablaufdiagramm des neunten Einschraubalgorithmus ist in der Fig. 13 dargestellt.
Die in einzelnen Ablaufdiagrammen aargestellten Differenzierer, Integrierer und Schätzer sind programmäßig in dem Mikrocontrol­ ler (22) implementiert. Es ist aber auch grundsätzlich möglich, hierfür entsprechende elektronische Bauteile zu verwenden.
Das Schraubsystem (1) ist auf eine Trainingseinheit (29) auf­ setzbar. Die Trainingseinheit (29) besteht im wesentlichen aus einem Simulator (30) und einer Steuervorrichtung (31) mit einer Steuereinheit (32). Die Steuervorrichtung (31) ist mit dem Per­ sonalcomputer (2') verbunden. Der Simulator (30) besteht im we­ sentlichen aus einer magnetischen Hysteresebremse (33) mit ei­ nem Bremsmoment MB, das lediglich von einem Erregerstrom IB der Spule eines feststehenden Bremsmagneten (34) abhängt. Zur Dreh­ winkelüberwachung ist ein Drehwinkelgeber (35) über eine Wel­ lenkupplung (36) mit einer Läuferwelle (37) der Hysteresebremse (33) verbunden. Der Simulator (30) weist weiterhin eine Fest­ stellbremse (38) auf. Die Feststellbremse (38) verhindert die Drehbewegung eines mit der Läuferwelle (37) verbundenen Läufers (39) während eines Entmagnetisierungsvorganges der Hysterese­ bremse (33). Die Feststellbremse (38) ist als eine Scheiben­ bremse ausgebildet, die eine Metallplatte (40) mit einem Reib­ belag aufweist, die von zwei Hubmagneten (41) über zwei Zug­ stangen (42) und zwei Führungsstangen (43) mit Rückstellfedern (44) gegen einen Läuferflansch (45) mit einem Reibbelag ge­ drückt werden kann. Um eine mögliche Drehmomentwelligkeit durch Restmagnetismus beim Betrieb der Hysteresebremse (33) zu ver­ hindern, wird die Hysteresebremse (33) vor jeder Simulation mit Hilfe der Feststellbremse (38) und einer Entmagnetisierungs­ steuerelektronik (46) entmagnetisiert.
Der Drehwinkelgeber (35) ist als optischer, inkrementaler Dreh­ winkelgeber entsprechend dem optischen Drehwinkelgeber (7) auf­ gebaut.
Während des Entmagnetisierungsvorganges wird durch die Entma­ gnetisierungssteuerelektronik (46) das Magnetfeld der Hystere­ sebremse (33) ständig umgepolt und dabei langsam von einem Nennwert bis auf Null verringert. Dadurch durchlaufen die ma­ gnetischen Dipole des Läufers (39) mehrmals die gesamte Hyste­ reseschleife mit ständig kleiner werdender Maximalfeldstärke, bis sie schließlich mit gleicher Wahrscheinlichkeit in alle Richtungen orientiert sind. Voraussetzung hierfür ist, daß der Läufer (39) sich während des Vorganges nicht bewegt. Dies wird durch die Feststellbremse (38) verhindert. Nach dem Entmagneti­ sierungsvorgang werden die Hubmagnete (41) wieder ausgeschaltet und die Metallplatte (40) wird durch die Rückstellkraft der Rückstellfedern (44) in seine Ausgangsstellung zurückbewegt. Die Hubmagnete (41) werden mit etwa 24 Volt bei einer Stromauf­ nahme von etwa 300 mA geschaltet und können in Abhängigkeit vom Hub maximal eine Zugkraft von etwa 10 N erzeugen. Der bei der Feststellbremse (38) zurücklegbare Hub beträgt etwa 2 mm.
Die Steuereinheit (32) besteht hauptsächlich aus einem zentra­ len Mikrocontroller (47) vom Typ SAB 80535 mit einem externen Programm- und Datenspeicher (48), einer Hysteresesteuerelektro­ nik (49) sowie der Entmagnetisierungssteuerelektronik (46).
Vor dem Simulationsbetrieb berechnet der Personalcomputer (2') mittels einer Kalibrierkennlinie der Hysteresebremse (33) die Steuerdaten der zu simulierenden und im Personalcomputer (2') gespeicherten Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie für die Hyste­ resesteuerelektronik(49). Die Kalibrier-Kennlinie befindet sich im externen Programmspeicher (48) der Steuereinheit (32) und wird zuvor vom zentralen Mikrocontroller (47) über eine seriel­ le Schnittstelle (50) zum Personalcomputer (2') übertragen. An­ schließend wird die modifizierte Anzugsmoment/Drehwinkel- Kennlinie vom Personalcomputer (2') zum Mikrocontroller (47) der Steuereinheit (32) übertragen und im Datenspeicher (48) ab­ gelegt. Während der Simulation des Einschraubvorganges bestimmt der Mikrocontroller (47) kontinuierlich aus den Drehwinkelge­ berdaten die aktuelle Drehwinkelposition. Aus der modifizierten Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie im Datenspeicher (48) sucht sich der Mikrocontroller (47) das dazugehörige Anzugsmoment bzw. Steuersignal für die Hysteresesteuerelektronik (49) aus und steuert damit über einen externen Digital-Analog-Umsetzer (51) und einen Verstärker (52) die Hysteresesteuerelektronik (49) an. Die Hysteresesteuerelektronik (49) wiederum erzeugt aus dem Steuersignal für das gewünschte Bremsmoment MB den not­ wendigen Erregerstrom IB des Bremsmagneten (34) der Hysterese­ bremse (33).
Zur Kalibrierung wird das Schraubsystem (1) mit Hilfe eines Statives (53) auf den Simulator (30) der Trainingseinheit (29) aufgesetzt und über das im Dreibackenfutter (11) des Handstüc­ kes (3) eingespannte Werkzeug (12) mit einer Aufnahme (54) der Läuferwelle (37) des Simulators (30) verbunden. Durch Vergleich mit aufgeprägten Momenten kann dann das Schraubsystem (1) kali­ briert werden.
Beim Training des Einschraubvorganges von beispielsweise Osteo­ syntheseschrauben koordiniert der Personalcomputer (2') der Trainingseinheit (29) übergeordnet den gesamten Trainingsab­ lauf. Der zentrale Mikrocontoller (47) der Steuereinheit (32) übernimmt dabei die Ansteuerung des Simulators (30) während des Simulationsbetriebes einschließlich des Entmagnetisierungsvor­ ganges und entlastet somit den Personalcomputer (2'). Die Kom­ munikation zwischen Personalcomputer (2') und zentralem Mikro­ controller (47) erfolgt über die serielle Schnittstelle (50) mit einem festgelegten Protokoll- und Quittierverfahren.
Der Trainingsablauf verläuft im wesentlichen nach den folgenden Schritten:
  • - Erstellung eines Trainingsplanes,
  • - Simulation der M/ϑ-Kennlinien,
  • - Bewertung der Trainingsergebnisse,
  • - wiederholtes Training einzelner oder aller M/ϑ-Kennlinien.
Vor dem Training wird zunächst ein Trainingsplan in Form einer Textdatei erstellt. Hier gibt der Anwender seinen Namen, das Datum, die gewünschten Trainingsmodalitäten, die Anzahl der Einschraubversuche sowie den zu trainierenden Schrauben- und Knochentyp an. Anschließend wählt der Personalcomputer (2') nach dem Zufallsprinzip die gewünschte Anzahl von Anzugsmo­ ment/Drehwinkel-Kennlinien des gewählten Schrauben- und Kno­ chentyps aus und trägt sie ebenfalls in den Trainingsplan ein. Für die Simulation der einzelnen Drehmoment/Drehwinkel- Kennlinien berechnet der Personalcomputer (2') mittels Interpo­ lation aus einer Kalibrierkennlinie des Simulators (30) die Steuerdaten für die Steuereinheit (32) und sendet sie dem zen­ tralen Mikrocontroller (47). Danach führt der zentrale Mikro­ contoller (47) die Simulation des Einschraubvorganges bis zum Abbruch des Anziehvorganges durch den Anwender durch. Der Per­ sonalcomputer (2') bewertet die Einzelsimulation, speichert das Ergebnis im Trainingsplan ab und startet die nächste Simulati­ on. Nachdem alle Einschraubvorgänge des Trainingsplanes simu­ liert wurden, wird eine Gesamtbewertung durchgeführt und eben­ falls im Trainingsplan abgelegt. Zur Dokumentation kann der Trainingsplan gespeichert und ausgedruckt werden. Auch ist die wiederholte Simulation der gesamten und einzelner Anzugsmo­ ment/Drehwinkel-Kennlinien des Trainingsplanes möglich, so daß hiermit der Trainingserfolg über längere Sicht erfaßt werden kann.

Claims (51)

1. Verfahren zum Anziehen von Schrauben, insbesondere in Kno­ chenstrukturen, mit einem steuerbar angetriebenen Schraubsy­ stem, bei dem während des Anziehens ein Anzugsmoment M und ein Drehwinkel ϑ ermittelt werden und in einem Gradientenverfahren ein Gradient ΔM/Δϑ aus dem Differenzquotienten der Anzugsmo­ ment/Drehwinkel-Kennlinie gebildet wird, dessen Absinken nach Erreichen eines Schwellmomentes MS zur Abschaltung des Schraub­ systems genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein maximales Anzugsmoment MMax nach einem vorgegebenen Einschraubalgorithmus als geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max geschätzt wird, und daß bei Erreichen des aus dem geschätzten maximalen Anzugs­ moment MMax gebildeten Schwellwertes MS das Gradientenverfahren mit der Abschaltbedingung Gradient ΔM/Δϑ ≦ O gestartet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Einschraubalgorithmus durch eine lineare Regressi­ onsanalyse in Einschraubversuchen aus dem Zusammenhang von ma­ ximalem Anzugsmoment MMax und der Eindrehenergie E, die sich aus der Fläche unterhalb der Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie er­ gibt, während des Gewindeschneidprozesses ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei menschlichen Halswirbelkörpern das geschätzte maximale Anzugsmoment M*Max mit der Eindrehenergie E|8UMDR nach acht Umdre­ hungen geschätzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschätzte maximale Anzugsmoment M*Max nach der Gleichung
geschätzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschätzte maximale Anzugsmoment M*Max für einen Schraubfall mit einem Gewindevorschnitt nach der Gleichung
geschätzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vorgegebene Einschraubalgorithmus durch eine lineare Regressionsanalyse in Einschraubversuchen aus dem Zusammenhang von maximalem Anzugsmoment MMax und dem Gradienten ΔM/Δϑ der Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwellmoment MS nach der Gleichung MS = 0,3 M*Max gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei menschlichen Halswirbelkörpern das geschätzte maximale Anzugs­ moment M*Max bei einem vorgegebenen absoluten Schwellmoment MSABS ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Anzugsmoment M*Max bei einem absoluten Schwellmoment MSABS von 300 mNm nach der Gleichung
geschätzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschätzter Restanzugswinkel ϑ*RA mit Hilfe des Gradienten ΔM/Δϑ der Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie bei einem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max geschätzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schwellmoment MS nach der Gleichung MS = 0,5 M*Max gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abschaltbedingung in Abhängigkeit von der Position in einem Anzugsbereich M/M*Max für eine vorgegebene An­ zahl von Winkelschritten mit negativer Sekantensteigung er­ reicht werden muß.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein erstes geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max1 in Abhängigkeit von der Eindrehenergie E beim Gewinde­ schneiden und ein zweites geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max2 in Abhängigkeit von der Eindrehenergie E im Anzugsbereich der Drehmoment/Drehwinkel-Kennlinie bei einem Schwellmoment MS = 0,5 M*Max1 abgeschätzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein erstes geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max1 in Abhängigkeit von der Eindrehenergie E beim Gewinde­ schneiden und ein zweites geschätztes maximales Anzugsmoment M*Max2 mittels der Sekantensteigung ΔM/Δϑ im Anzugsbereich bei einem Schwellmoment MS = 0,3 M*Max1 abgeschätzt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeich­ net, daß bei mehrfacher Abschätzung vom geschätzten maximalen Anzugsmoment M*Max eine Gewichtung der Einzelabschätzungen vor­ genommen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem ersten geschätzten maximalen Anzugsmoment M*Max1 und dem zweiten geschätzten maximalen Anzugsmoment M*Max2 ein Gesamt­ schätzwert M*Max nach der Gleichung M*Max = K1.M*Max1+K2.M*Max2, mit K1 und K2 als Gewichtungsfaktoren, gebildet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schrauben mit einer konstanten Drehzahl angezogen werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben mit einer Drehzahl von etwa 30 min-1 angezogen werden.
19. Vorrichtung zum Anziehen von Schrauben, insbesondere in Knochenstrukturen mit einem steuerbar angetriebenen Schraubsy­ stem, welches eine Meßeinrichtung zur Messung eines Anzugsmo­ mentes M und eine Winkelmeßeinrichtung zur Messung eines Dreh­ winkels ϑ aufweist, die mit einer Motorsteuereinheit verbunden sind, die in Abhängigkeit von einem Gradienten ΔM/Δϑ, der aus dem Differenzquotienten der gemessenen Anzugsmoment/Drehwinkel- Kennlinie gebildet wird, nach Erreichen eines Schwellmomentes MS ein Abschaltsignal gibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mo­ torsteuereinheit (14) mindestens einen Mikrocontroller (22) aufweist, in dem ein Einschraubalgorithmus speicherbar ist, mit dessen Hilfe das maximale Anzugsmoment MMax als geschätztes ma­ ximales Anzugsmoment M*Max von dem Mikrocontroller (22) aus den Werten der Meßeinrichtungen (13, 55) berechenbar ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubsystem (1) ein Handstück (3) mit einer Motor- Getriebe-Einheit (6) aufweist, die von einer Basiseinheit (4) ansteuerbar ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor als Gleichstrommotor ausgebildet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor als Glockenankermotor ausgebildet ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Handstück (3) einen Drehwinkelgeber (7) zur kontinuierlichen Messung des Drehwinkels ϑ aufweist, der mit dem Motor über eine Welle verbunden ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelgeber (7) als optischer, inkrementaler Drehwin­ kelgeber ausgebildet ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drehwinkelgeber (7) in Verbindung mit einer Aus­ werteelektronik eine Drehwinkelauflösung von Δϑ ≦ 3,93° aufweist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubsystem (1) eine Motorstrom­ meßeinrichtung (15) zur indirekten Drehmomentmessung aufweist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorstrommeßeinrichtung (15) eine Meßelektronik (16) auf­ weist, in der der Motorstrom IA über einen Meßwiderstand (17) gemessen und das Meßsignal über einen Meßverstärker (18) ver­ stärkt wird.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal über einen Bessel-Tiefpaß (20) gefiltert und ver­ stärkt wird.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeich­ net, daß das Meßsignal in einem Gleichrichter (21) gleichge­ richtet und als Meßsignal UM der Motorsteuereinheit (14) zuge­ führt wird.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuereinheit (14) neben dem Mi­ krocontroller (22) einen mit diesem in Verbindung stehenden Mo­ torcontroller (23) aufweist, der über einen Leistungsverstärker (24) den Motor ansteuert.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (22) über einen ersten Analog-Digital-Umsetzer (27) mit der Motorstrommeßeinrichtung (15) verbunden ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (22) über einen zweiten Analog-Digital-Umsetzer (28) mit einem Fußschalter (5) verbind­ bar ist.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (22) über eine Schnitt­ stelle (25) mit einem Personalcomputer (2) verbindbar ist.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubsystem (1) auf eine Trai­ ningseinheit (29) aufsetzbar ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubsystem (1) über die Trainingseinheit (29) kalibrier­ bar ist.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß über die Trainingseinheit (29) vorgegebene Anzugsmomente M auf das Schraubsystem (1) aufprägbar sind.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Trainingseinheit (29) das Anziehen von Schrauben simulierbar ist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Trainingseinheit (29) einen Simulator (30) aufweist, auf den das Handstück (3) des Schraubsystems (1) aufsetzbar ist.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Simulator (33) eine Bremse zur Erzeugung eines Bremsmomen­ tes MB aufweist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse als eine magnetische Hysteresebremse (33) ausgebil­ det ist, deren Bremsmoment MB von einem Erregerstrom IB eines feststehenden Bremsmagneten (34) abhängt.
41. Vorrichtung nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Drehwinkelgeber (35) über eine Wellenkupplung (36) mit einer Läuferwelle (37) eines Läufers (39) der Bremse (33) verbunden ist.
42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß zur Simulation durch das Bremsmoment MB ein entsprechendes Schraubenanzugsmoment M in Abhängigkeit des Eindrehwinkels ϑ entsprechend der vorgegebenen Anzugsmoment/Drehwinkel-Kennlinie erzeugbar ist.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 40 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß der Simulator (30) eine Feststellbremse (38) aufweist, durch die eine Drehbewegung des Läufers (39) während eines Entmagnetisierungsvorganges der Hysteresebremse (33) verhinderbar ist.
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelgeber (35) als optischer, in­ krementaler Drehwinkelgeber ausgebildet ist.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß der Simulator (30) mit einer Steuervorrich­ tung (31) verbunden ist.
46. Vorrichtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (31) einen zentralen Mikrocontroller (47) zur Steuerung des Simulators (30) aufweist.
47. Vorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Mikrocontroller (47) mit einem externen Programm- und Datenspeicher (48) verbunden ist.
48. Vorrichtung nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeich­ net, daß der zentrale Mikrocontroller (47) über eine Hysterese- Steuerelektronik (49) mit der Hysteresebremse (33) verbunden ist.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Mikrocontroller (47) über eine Entmagnetisierungs-Steuerelektronik (46) mit der Hysteresebrem­ se (33) verbunden ist.
50. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 46 bis 49, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Mikrocontroller (47) mit dem Drehwinkelgeber (35) verbunden ist.
51. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 46 bis 50, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Mikrocontroller (47) mit einem Personalcomputer (2') verbindbar ist.
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