DE2713099A1 - Verfahren und vorrichtung zum festziehen einer ein befestigungsmittel aufweisenden anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Festziehen von Befestigungssystemen und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Festziehen von Befestigungssystemen bis zur Streckgrenze oder einem ähnlichen signifikanten Punkt, der von einer bemerkenswerten Änderung in der Steigung der Winkelgeschwindigkeits-Winkelauslenkungs-Kurve gekennzeichnet ist, die für das jeweilige festzuziehende Befestigungssystem aufgetragen werden könnte, und der einer bestimmten axialen Belastung auf das Befestigungsmittel entspricht.

Bei der Auslegung von Konstruktionsverbindungen, die mit mechanischen Befestigungssystemen befestigt sind, üben die Befestigungsmittel gewöhnlich eine bestimmte Klemmkraft oder Belastung auf die Konstruktionselemente aus, um die Integrität der Verbindung sicherzustellen. Wenn eine Verbindung montiert wird, sollen die Befestigungsmittel angezogen werden, damit sie eine bestimmte axiale Belastung auf die zugeordneten Konstruktionselemente ausüben. Jedoch sind viele der herkömmlichen Festziehtechniken zum Festziehen von mit Gewinde versehenen Befestigungsmitteln, damit sie eine bestimmte Belastung auf die zugeordneten Konstruktionsteile ausüben, nicht vollständig zufriedenstellen. So benutzt z. B. die genaueste Festziehtechnik die Messung der axialen Spannung oder Dehnung des Bolzens, während dieser festgezogen wird, und setzt die Dehnung zur Kraft oder axialen Belastung, die auf den Bolzen wirkt, mit Hilfe zuvor berechneter Kraft-Dehnungs-Beziehungen in Bezug. Obwohl diese Technik am genauesten ist, erlauben praktische Anwendungen gewöhnlich nicht die Messung der Dehnung des Bolzens und, bei den Fällen, bei denen die Dehnung gemessen werden kann, ist diese Messung eine zeitraubende und relativ teure Technik. Diese Technik wird daher bei vergleichsweise nur wenigen Anwendungen außerhalb von Laborversuchen benutzt.

Eine andere bekannte Festziehtechnik, die gewöhnlich bei der Montage der meisten Verbindungen benutzt wird, benutzt Drehmoment gesteuerte Werkzeuge, die angeben, wenn das auf ein Befestigungsmittel aufgebrachte Drehmoment gleich einem bestimmten Wert ist oder diesen überschreitet, und in Abhängigkeit davon das Festziehen des Befestigungsmittels beendet. Die Drehmomentmessung ist vergleichsweise einfach und da das Drehmoment in Bezug zu der auf die Befestigungsanordnung aufgebrachte axialen Kraft steht, die auf die Konstruktionselemente ausgeübt wird, kann ein bestimmter Drehmomentwert gewählt werden, der theoretisch einer bestimmten Klemmbelastung entspricht, die für die Verbindung ausgeübt werden soll. Beim Festziehen von mit Gewinde versehenen Befestigungsmitteln bei einem Montagevorgang haben sich jedoch breite Streuungen der tatsächlichen Drehmoment-Belastungs-Beziehung ergeben. Diese Streuungen sind durch eine Vielfalt von Faktoren bedingt, die die zulässigen Toleranzänderungen in den Abmessungen und der Festigkeit der Befestigungsmittel und der Konstruktionsteile, die Schmierung oder das Fehlen der Schmierung auf den aneinanderliegenden Oberflächen der Befestigungsmittel und/oder der Konstruktionsteile umfasst. Alle diese Faktoren können große Änderungen in dem Reibungskoeffizienten zwischen den aneinanderliegenden Oberflächen des Befestigungsmittels und der Verbindung bewirken. In der Praxis haben sich Streuungen oder Änderungen bis zu plus/minus 30% der axialen Belastung auf die für die besondere Anwendung benutzen Bolzen bei den gleichen Drehmomentpegeln ergeben. Die Drehmomentsteuertechnik ist daher nicht sehr genau.

Beim Versuch die herkömmlichen Festziehsystemen anhaftenden Probleme zu lösen, wurden weitere Festziehsysteme entwickelt, die Werkzeuge benutzen, die sowohl das Drehmoment als auch die Winkelauslenkung oder Umdrehung eines Befestigungsmittels während des Festziehvorganges messen. Diese Festziehsysteme umfassen Steuersysteme, die in Abhängigkeit von Drehmoment- und Winkelmessungen arbeiten, um zu bestimmen, wenn die Steigung einer Drehmoment-Umdrehungs-Kurve für das Befestigungsmittel angibt, dass die Streckgrenze des Befestigungsmittels erreicht wurde, um dann das Festziehen des Befestigungsmittels zu beenden. Beispiele von Techniken und Systemen, die Werkzeuge dieser Art benutzen, sind in den US-PSen 3 643 501 und 3 693 726 beschrieben. Jedoch sind weder die Techniken, noch die Werkzeuge, die in diesen Patentschriften beschrieben sind, allgemein zufriedenstellend, um bestimmte Aufgaben zu lösen, da sie keine anpassungsfähigen Systeme darstellen. D. h., bei dem aus der US-PS 3 643 501 bekannten System muss im vorhinein die tatsächliche Drehmoment-Umdrehungs-Beziehung für das jeweilige Befestigungsmittel, das angezogen werden soll, bekannt sein, und bei dem aus dem US-PS 3 693 726 bekannten System muß im vorhinein der Wert des Drehmomentgradienten an der Streckgrenze bekannt sein. Die Drehmoment-Umdrehungs-Beziehung ändert sich über einen weiten Bereich aus den gleichen Gründen, aus denen sich die Drehmoment-Belastungs-Beziehung ändert, so dass daher die aus diesen Patentschriften bekannten Techniken und Werkzeuge nur dann benutzt werden können, wenn die Eigenschaften der Verbindungsanordnung im vorhinein bekannt sind, wobei durchschnittliche Beziehungen bestimmt und beim Betrieb der Werkzeuge benutzt werden müssen. Die Vielseitigkeit und die Genauigkeit dieser in den genannten Patentschriften beschriebenen Techniken und Werkzeuge sind daher nicht voll zufriedenstellend.

Ein weiteres Festziehsystem ist in der US-Patentanmeldung, Serail No. 507 417 vom 19. September 1974 beschrieben. Bei diesem System werden die Signale sowohl des aufgebrachten Drehmoments als auch der Winkeldrehung eines Befestigungsmittels während des Befestigungsvorganges gemessen, um ein Signal abzuleiten, das den Gradienten der Drehmoment-Umdrehungs-Kurve angibt, die für das anzuziehende Befestigungsmittel aufgetragen werden kann. Ein augenblickliches Gradientensignal wird mit einem gespeicherten Gradientensignal verglichen und nach Maßgabe davon das Festziehsystem abgeschaltet. Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung dieses Systems in soweit, dass das vorliegende System keine Drehmomentmessungen, die von einer Bolzenschlüsseleinrichtung erhalten werden, wie dieses in der zuvor erwähnten Anmeldung beschrieben ist, erfordert. Das vorliegende Steuersystem benutzt einen relativ billigen Oszillator, der nicht mit der Bolzenschlüsseleinrichtung verbunden ist, um einen zweiten Eingangsparameter, nämlich die Zeit, zu erzeugen, der zusammen mit den gemessenen Winkelverschiebungs-Signalen von der Bolzenschlüsseleinrichtung benutzt wird, um ein Signal zu erzeugen, das die Winkelgeschwindigkeit der Bolzenschlüsseleinrichtung und des damit angetriebenen Befestigungsmittels angibt. Der Gradient der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve wird benutzt, um den Betrieb des vorliegenden Festziehsystems zu steuern. Das Steuersystem der vorliegenden Erfindung muss zusammen mit einem Festziehmotor benutzt werden, der eine lineare Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung hat, wie dieses im einzelnen in der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles angegeben ist.

Es ist daher ein allgemeiner Zweck und ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Festziehsystem zum genauen Festziehen eines Befestigungssystems bis zu seiner Streckgrenze oder einem ähnlichen signifikanten Punkt zu schaffen, der eine bemerkenswerte Änderung in der Steigung einer Kurve angibt, die für verschiedene Festzieheigenschaften aufgetragen werden kann, und der einer bestimmten axialen Belastung entspricht.

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein Festziehsystem zum genauen Festziehen eines Befestigungssystems bis zu seiner Streckgrenze oder einem ähnlichen signifikanten Punkt zu schaffen, der eine bemerkenswerte Änderung in der Steigung einer Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve angibt, und der einer bestimmten axialen Belastung entspricht.

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein Festziehsystem zum genauen Festziehen eines Befestigungssystems bis zu einer bestimmten axialen Belastung bei einer minimalen Vorkenntnis der jeweils zu montierenden Verbindung zu schaffen.

Schließlich ist es ein Ziel dieser Erfindung, ein Festziehsystem zu schaffen, das vielseitig, zuverlässig, wirtschaftlich und genau ist.

Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch ein Festziehsystem erreicht, das eine Bolzenschlüsseleinrichtung umfasst, um eine Winkeldrehung auf ein Befestigungsmittel aufzubringen, das in einem Befestigungssystem enthalten ist, das der zu montierenden Verbindung zugeordnet ist. Der Bolzenschlüsseleinrichtung zugeordnete Messeinrichtungen erzeugen ein Signal, das die Winkelverschiebung des Befestigungsmittels angibt. Ein die Winkelgeschwindigkeit des Befestigungsmittels angebendes Signal wird ebenfalls erzeugt. Die beiden Signale werden an eine Gradientenberechnungseinrichtung gegeben, wo ein Signal erzeugt wird, das den augenblicklichen Gradienten einer Kurve angibt, die für die Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Beziehung des jeweiligen anzuziehenden Befestigungssystems aufgetragen werden kann. Das Anziehsystem weist außerdem eine Einrichtung auf, die auf das augenblickliche Gardientensignal anspricht, um die Streckgrenze oder einen ähnlichen signifikanten Punkt zu bestimmen, der eine bemerkenswerte Änderung in der Steigung auf der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve angibt, über die das Befestigungssystem festgezogen wird, und an diesem Punkt ein Steuersignal angibt.

Gemäß einem bevorzugten Gedanken der Erfindung wird also eine Vorrichtung zum Festziehen einer Anordnung geschaffen, die ein mit Gewinde versehenes Befestigungsmittel umfasst, wobei ein Bolzenschlüssel ein Drehmoment und eine Drehbewegung auf das Befestigungsmittel aufbringt. Dem Bolzenschlüssel ist ein Steuersystem zugeordnet, das Meßeinrichtungen zum Erzeugen eines Erstsignals, das die Winkelverschiebung des Befestigungsmittels angibt, aufweist. Ein zweites, ein konstantes Zeitinkrement angebendes Signal wird zusammen mit dem ersten Signal an die Gradientenberechnungseinrichtung gegeben, die ein Signal ableitet, das die Steigung oder den Gradienten einer Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve angibt, die für die jeweilige festzuziehende Anordnung aufgetragen werden kann. Wenn das Gradientensignal auf einen bestimmten Prozentsatz eines maximalen, zuvor gespeicherten Gradientensignals abfällt, wird an der Streckgrenze der Anordnung oder einem ähnlichen signifikanten Punkt, der durch eine bemerkenswerte Änderung in der Steigung der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve gekennzeichnet ist, ein Steuersignal erzeugt, das das Festziehen der Anordnung beendet.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 die Darstellung einer Kurve, die die Eigenschaften einer typischen Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Beziehung und einer zugeordneten Drehmoment-Winkelverschiebungs-Beziehung angibt, die bei einem Befestigungsmittel während eines Festziehvorganges auftreten, wobei das Prinzip der Erfindung erläutert wird,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Festzieh- und Steuersystems, das nach Maßgabe der Erfindung aufgebaut ist, und

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festzieh- und Steuersystems.

In Fig. 1 ist eine typische Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve und eine Drehmoment-Winkelverschiebungs-Kurve für ein anzuziehendes, ein Gewinde aufweisendes Befestigungssystem dargestellt. Die Winkelgeschwindigkeit und das Drehmoment sind längs der vertikalen Achse und die Winkelverschiebung ist längs der horizontalen Achse aufgetragen. Die Kurve weist einen Anfangs- oder Vorfestziehungs-Bereich auf, der sich vom Schnittpunkt der Achsen bis zum Punkt A auf beiden Geschwindigkeits- und Drehmoment-Kurven erstreckt. Der Punkt A nähert den Beginn eines im wesentlichen linearen Teils der Kurve an, der als Festziehbereich bekannt ist. Im

Vorfestzieh-Bereich greifen die sich berührenden Gewindegänge der Befestigungsanordnung ineinander und das Befestigungselement wird gedreht, jedoch berührt die tragende Stirnfläche des sich drehenden Befestigungsmittels noch nicht die benachbarte Stirnfläche der in der Verbindung enthaltenen Konstruktionselemente. Etwa am Punkt A auf der Kurve sind die Konstruktionselemente durch die Befestigungsanordnung zusammengezogen und das tatsächliche Festziehen der Verbindung beginnt. Zum Verständnis der Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass die Drehmoment-Winkelverschiebungs-Kurve in Fig. 1 lediglich zum Verständnis der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve überlagert gezeigt ist. In der vorliegenden Erfindung wird keine Einrichtung zum Messen des Drehmomentes erläutert, da zum Ausführen der Erfindung die Messung des Drehmoments nicht erforderlich ist. Die in Fig. 1 gezeigte Drehmoment-Winkelverschiebungs-Kurve wurde durch hier nicht gezeigte externe herkömmliche Meßeinrichtungen erhalten. Das Drehmoment am Punkt A wird allgemein als das "bündige" Moment bezeichnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass das Auftreten des Punktes A auf der Drehmoment-Kurve im wesentlichen dem Beginn des Abfalls der Winkelgeschwindigkeit in Bezug auf die Winkelverschiebung des Befestigungsmittels entspricht. Im Festziehbereich der Kurve, der sich vom Punkt A zum Punkt B erstreckt, und der die von dem Befestigungsmittel aufgebrachte axiale Kraft, das die Verbindungsmittel zusammenklemmt, angibt, ist im wesentlichen linear, kann jedoch auch leicht gebogen sein. Im Falle einer Biegung zwischen den Punkten A und B erreicht die Steigerung der Kurve einen typischen Maximalwert. Jedoch wird nachfolgend der Festziehbereich zwischen den Punkten A und B als ein im wesentlichen linearer Teil der Kurve bezeichnet. Wie dieses noch näher erläutert wird, kann ein Punkt A' gewählt werden, der in dem im wesentlichen linearen Teil der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve zwischen den Punkten A und B liegt und der Punkt in dem Festziehvorgang ist, bei dem das Gradientenberechnungssystem eingeschaltet wird. Beim Punkt B ist die Proportionalitätsgrenze der Verbindungsanordnung überschritten und die Winkelgeschwindigkeit beginnt langsamer abzunehmen als der zugeordnete Anstieg der Winkelverschiebung. Am Punkt B auf der Drehmoment-Winkelverschiebungs-Kurve beginnt zum Vergleich das Drehmoment langsamer anzusteigen als die entsprechend ansteigende Winkelverschiebung. Daraus ist zu erkennen, dass die zwei Kurven gleiche Eigenschaften haben, in dem bemerkenswerte Änderungen in den jeweiligen Steigungen der beiden Kurven bei etwa dem gleichen Wert der Winkelverschiebung auftreten. Zum Zwecke dieser Erläuterung wird der Punkt B als Beginn des Streckbereichs betrachtet, es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass oberhalb des Punktes B immer noch eine zusätzliche Belastung auf die Verbindungsanordnung aufgebracht wird, jedoch mit einer nicht linearen Größe des Anstieges. Der Punkt C entspricht der Streckgrenze der Verbindungsanordnung und, da die Definition der Streckgrenze etwas unterschiedlich ist, kann er als der Punkt betrachtet werden, oberhalb dem die Spannung oder Dehnung des Bolzens nicht länger rein elastisch ist. Wie noch klar werden wird, kann ein erfindungsgemäßes Festziehsystem die Streckgrenze C auf der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve oder andere Punkte zwischen dem Punkt B und dem Punkt C im Streckbereich erfassen und in Abhängigkeit davon ein Steuersignal erzeugen. Bei bestimmten Anwendungen können sich die Punkte B und C grob entsprechen, jedoch würde dieses Entsprechen die Arbeitsweise des Festziehsystems nicht beeinflussen.

Während im vorangegangenen Absatz auf die Grenze der Proportionalität und die Streckgrenze der Verbindungsanordnung Bezug genommen wurde, ist darauf hinzuweisen, dass infolge der herkömmlichen Auslegungskriterien diese Ausdrücke allgemein auf Eigenschaften der Befestigungsanordnung und gewöhnlich auf das männliche Befestigungsmittel oder dem Bolzen bezogen sind, da Befestigungsanordnungen gewöhnlich nicht so starr sind, wie die die Verbindungsanordnung bildenden Konstruktionsteile.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung sich auf eine Vorrichtung bezieht, die genau bestimmte Abweichungen von dem im wesentlichen linearen Bereich einer Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve oder Kurven oder anderer Parameter mit ähnlicher Formgebung erfasst. Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die jeweilige Verbindungsanordnung Befestigungssysteme umfassen kann, die so konstruiert sind, dass die aufgetragene Kurve bei einer bestimmten Belastung von der Linearität abweichen kann, die sich vom Beginn des Streckbereiches des Materials unterscheidet. Eine solche Abweichung kann durch das Steuersystem erfasst und zur Erzeugung des Steuersignals benutzt werden. Aus diesem Grund soll der Aufdruck "Streckgrenze", wie er hier benutzt wird, so verstanden sein, das die Streckgrenze des Materials, aus dem das Befestigungsmittel hergestellt ist, wie auch Punkte auf einem im wesentlichen abgeflachten Teil der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve umfasst, der durch die Konfiguration des Befestigungsmittels bei einer bestimmten Klemmbelastung entsteht.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festziehsystems 10 dargestellt. Das Festziehsystem 10 weist einen Bolzenschlüssel 12 mit einem Motor 14, einer Antriebswelle 16 und einem Antriebseinsatz 18 auf. Die Antriebswelle 16 wird von dem Motor 14 angetrieben, um ein Drehmoment und eine Drehbewegung auf ein hier nicht gezeigtes Befestigungsmittel auszuüben, in das der Antriebseinsatz 18 eingreift. Der Bolzenschlüssel 12 kann von irgendeiner herkömmlichen Bauart sein, und, wie dieses am gebräuchlichsten ist, kann der Motor 14 durch die Strömung eines sich bewegenden Strömungsmittels luftgetrieben sein, das durch ein geeignetes, elektrisch betätigtes, elektromagnetisches Steuerventil 20 gesteuert ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Motor 14 auch elektrisch, hydraulisch oder irgendeine Kombination von pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch sein kann. Die genauen Einzelheiten des Bolzenschlüssels sind für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich, so dass eine detaillierte Beschreibung hier auch nicht gegeben wird.

Die genauen Einzelheiten der Motoreigenschaften müssen jedoch bekannt sein. Um die vorliegende Erfindung ausführen zu können, muß der Motor 14 von einem solchen Typ sein, der eine gut definierte Beziehung zwischen Drehmoment und Geschwindigkeit hat. Dieses ist erforderlich, da der Motor als ein Umformer wirkt und im Falle eines luftgetriebenen Motors sollte der Motor eine einfache lineare Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und dem Drehmoment bei einem festen Luftdruck haben. Mathematisch kann dieses in der folgenden Weise ausgedrückt werden.

Darin sind C und K Konstanten, T das Ausgangsdrehmoment des Motors und
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die Winkelgeschwindigkeit des Motors. Wird diese Beziehung nach der Winkeldrehung kleines Theta des Motors differenziert, so ergibt sich der Ausdruck

Dieser Ausdruck gibt an, dass der Geschwindigkeitsgradient eine einfache lineare Beziehung zu dem Drehmomentgradienten hat, so dass der Geschwindigkeitsgradient des Motors in einem Steuersystem anstelle des Drehmomentgradienten, wie dieses bisher gelehrt wurde, benutzt werden kann.

Das Festziehsystem 10 und im einzelnen der Bolzenschlüssel 12 sind an einem starren Rahmen 22 befestigt, der den Bolzenschlüssel trägt und diesen an einer Drehung hindert. Auf der Abtriebswelle 16 und zur Drehung mit dieser, vorzugsweise innerhalb des Motors 14 ist ein geeigneter Kodierer 24 befestigt, der mit einem Annäherungsdetektor 26 zum Erzeugen von Signalen zusammenwirkt, die die inkrementelle Winkelverschiebung oder Drehung des Befestigungsmittels angibt. Der Kodierer 24 kann irgendeine aus einer Vielfalt von Einrichtungen sein und bei dieser Ausführungsform umfasst er eine Reihe von Zähnen 28, die auf seiner Außenmantelfläche ausgebildet sind. Der Annäherungsdetektor 26 erfaßt die Gegenwart von Metall und daher das Hindurchgehen der Zähne und erzeugt ein elektrisches Signal, das bestimmte Inkremente der Winkeldrehung angibt. Obwohl ein Beispiel einer Drehmeßeinrichtung beschrieben wurde, ist darauf hinzuweisen, dass irgendeine aus einer Vielzahl von leicht erhältlichen Einrichtungen benutzt werden kann, um die angestrebten Ergebnisse in Verbindung mit der Erfindung zu erzielen.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform weist ein Steuersystem auf, das wirkungsmäßig mit dem Festziehsystem 10 zum Steuern des Festziehens des Befestigungsmittels verbunden ist. Das Steuersystem weist ein Gradientenberechnungssystem auf, das den augenblicklichen Gradienten oder die Steigung der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve bestimmt, die als eine graphische Darstellung aufgetragen werden kann, wenn dieses für das jeweilige festzuziehende Befestigungssystem erwünscht ist, und erzeugt ein diese angebendes elektrisches Signal. Das Gradientenberechnungssystem weist einen Takt- oder einstellbaren Oszillator 30 auf, der so eingestellt werden kann, dass er Signale (großes Delta t) abzugeben beginnt, wenn der Motor 14 seine Arbeitsweise aufnimmt. Das Zeitintervall zwischen den Signalen (großes Delta t) ist konstant und kann aufgrund der bekannten Ausgangsgeschwindigkeit des Motors gewählt werden. Irgendeine

Geschwindigkeit innerhalb des Bereichs der Ausgangsgeschwindigkeiten des Motors kann als Grundlage für die Periodendauer der Signale (großes Delta t) gewählt werden. Eine bevorzugte Motorgeschwindigkeit ist jedoch eine in der Mitte des Bereichs der Geschwindigkeiten der charakteristischen, hier nicht gezeigten Geschwindigkeit-Drehmoment-Kurve für den jeweiligen Motor mit einstellbarer Geschwindigkeit. Etwa 200 bis 250 Impulse von dem Taktoszillator 30 für jede Umdrehung der Motorausgangswelle wurden auf der Grundlage einer freilaufenden Motorgeschwindigkeit als annehmbarer Bereich festgestellt. Ein Gatter 32 erhält augenblickliche inkrementelle Winkelverschiebungsimpulse (großes Delta großes Theta[tief]i) vom Kodierer 24 und gibt jeweilige inkrementelle Winkelverschiebungs-Ausgangssignale ab, die durch die konstanten Zeitintervallsignale (großes Delta t) vom Taktoszillator 30 getaktet sind. Das Ausgangssignal vom Gatter 32 ist daher ein Signal, das die augenblickliche Winkelgeschwindigkeit (kleines Omega[tief]i) des Motors 14 und des festzuziehenden Befestigungsmittels angibt. Die Signale vom Kodierer 24 und damit das Ausgangssignal vom Gatter 32 sind digitale Signale. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden Analogsignale für die Verarbeitung bevorzugt, so dass daher das digitale Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal vom Gatter 32 in ein Analogsignal durch einen Digital-Analog-Wandler 34 umgeformt werden. Ein das konstante Zeitintervall angebendes Signal (großes Delta t) vom Taktoszillator 30 wird an eine Verzögerungsschaltung 36 gegeben, damit eine Einstellzeit für den Digital-Analog-Wandler 34 und ein Rücksetzen des Digital-Analog-Wandlers nach jeder durchgeführten aufeinander folgenden Umwandlung zu gewährleisten, so dass dann das nächste digitale Winkelgeschwindigkeitssignal angenommen werden kann. Das Ausgangssignal von dem Digital-Analog-Wandler 34 wird an eine Abtast- und Halteschaltung 38 gegeben, die außerdem ein konstantes Zeitintervallsignal (großes Delta t) von dem Taktoszillator 30 erhält, um die Abtastzeit zu steuern. Das analoge Winkelgeschwindigkeitssignal wird in der Schaltung 38 abgetastet und während einer bestimmten Zeitdauer festgehalten, und das Ausgangssignal von dieser Schaltung wird an ein herkömmliches, mehrstufiges analoges Schieberegister 40 gegeben, das von inkrementellen Winkelverschiebungs-Impulsen (großes Delta großes Theta[tief]i) vom Kodierer 24 getaktet wird. Abhängig von der Anzahl der Stufen in dem Schieberegister 40 gibt sein Ausgangssignal eine Winkelgeschwindigkeit
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ein bestimmte inkrementelle Winkelverschiebung vor der augenblicklichen Winkelverschiebung an. Ein Gradientenvergleicher 42 in Form einer geeigneten Subtraktionsschaltung erhält Ausgangssignale (kleines Omega[tief]großes Theta) vom Schieberegister 40 und die augenblickliche Winkelgeschwindigkeit (kleines Omega i) angebende Signale vom Digital-Analog-Wandler 34 und erzeugt ein Ausgangssignal (kleines Omega[tief]i -
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über großes Delta großes Theta) das die Differenz zwischen beiden angibt. Da die Winkelgeschwindigkeitssignale über feste Inkremente der Winkelverschiebung (großes Delta großes Theta) subtrahiert werden, gibt das Ausgangssignal vom Vergleicher 42 den augenblicklichen Gradienten (G[tief]i) der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve an, über die das Befestigungsmittel festgezogen wird.

An dieser Stelle ist erneut darauf hinzuweisen, dass, obwohl die Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve vom Punkt A zum Punkt B im wesentlichen linear ist, dieser Bereich auch gebogen sein kann, so dass ein typischer maximaler Gradientenwert in diesem Festziehbereich erreicht würde. Das Ausgangssignal des Vergleichers 42, das ein Signal konstanter Größe sein würde, wenn die Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve exakt linear vom Punkt A zum Punkt B verlaufen würde, kann daher verschiedene Änderungen erfahren. Das Gradientenberechnungssystem weist daher Schaltungen zum Bestimmen und Speichern des maximalen Gradienten (G[tief]max), auf der bis zu jedem Punkt längs der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve erhalten wird, d. h. bis zu irgendeinem Punkt innerhalb des Festziehvorgangs. Es ist daher eine Speicherschaltung 44 vorgesehen, die ein Signal speichert, das den maximalen Gradienten (G[tief]max), soweit er bisher aufgetreten ist, angibt. Ein Vergleicher 46 ist vorgesehen, um die augenblicklichen Gradientensignale (G[tief]i) mit dem zuvor gespeicherten maximalen Gradientensignal (G[tief]max) aus der Speicherschaltung 44 zu vergleichen. Ist ein augenblickliches Gradientensignal (G[tief]i) größer als ein gespeichertes maximales Gradientensignal (G[tief]max) so wird das augenblickliche Gradientensignal dann in der Speicherschaltung 44 gespeichert. Eine nähere Beschreibung der Speicherschaltung 44 und der Vergleicherschaltung 46 ist in der US-Patentanmeldung Ser.No. 507 417 vom 19. September 1974 enthalten. Das gespeicherte maximale Gradientensignal wird dann in eine geeignete Teilerschaltung 48 eingegeben, wo ein bestimmter Prozentsatz des gespeicherten maximalen Gradientensignals (G[tief]max) erhalten wird. So kann z. B. ein Wert von etwa 2/3 des maximalen Gradientensignals (G[tief]max) gewählt werden. Die Wahl eines 2/3-Wertes wurde als ein annehmbarer Wert festgestellt, um sicherzustellen, dass das Befestigungssystem bis zu seiner Streckgrenze angezogen wurde. Die Wahl des Punktes C bei etwa 2/3 des maximalen Gradientenwertes stellt sicher, dass Rauschen oder Störsignale, die während des im wesentlichen linearen Teils der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve erzeugt werden, kein vorzeitiges Abschalten des Festziehsystems bewirken können. Eine geeignete Wahl dieses Abschaltpunktes ist vom praktischen Standpunkt aus wichtig, um sicherzustellen, dass die Streckgrenze der Verbindung erreicht wurde. Es ist außerdem darauf hinzuweisen, dass irgendein Wert innerhalb des Bereichs von 25% bis 75% des maximalen Gradientensignals (G[tief]max) allgemein als ein Abschaltpunkt für annehmbar festgestellt wurde. Der Abschaltwert des maximalen Gradienten (G[tief]max) wird von der Teilerschaltung 48 angegeben und in einem Vergleicher 50 eingegeben, wo er mit dem augenblicklichen Gradientensignal (G[tief]i vom Vergleicher 42 verglichen wird. Sind die zwei Signale im wesentlichen gleich, so wird ein

Steuersignal vom Vergleicher 50 an das elektromagnetische Ventil 20 abgegeben, um die Strömung des Strömungsmittels zum Bolzenschlüssel 12 abzuschalten und damit das Festziehen des Befestigungssystems zu beenden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt, wo der Bolzenschlüssel und die Einrichtung zum Messen der inkrementellen Winkelverschiebung des Befestigungsmittels die gleichen sind, wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen in Fig. 3 bezeichnen daher gleiche Teile, die in Verbindung in Fig. 2 erläutert wurden, und eine Beschreibung des Bolzenschlüssels und der Meßeinrichtung wird daher nicht erneut vorgenommen. Die in Fig. 3 gezeigte Steuerschaltung weist einen Oszillator 60 auf, der gleich dem in den Ausführungsbeispiel der Fig. 2 gezeigten Oszillator 30 ist. Der Oszillator 60 kann so eingestellt sein, dass er Signale (großes Delta t') abzugeben beginnt, wenn der Motor 14 seine Arbeit aufnimmt. Das Zeitintervall zwischen Signalen (großes Delta t') ist konstant und in der zuvor beschriebenen Weise gewählt. Ein Gatter 62 erhält augenblickliche inkrementelle Winkelverschiebungs-Impulse (großes Delta großes Theta ´ [tief]i) vom Kodierer 24, und gibt entsprechende inkrementelle Winkelverschiebungssignale ab, die von den konstanten Zeitintervallsignalen (großes Delta t') vom Taktoszillator getaktet sind. Das Ausgangssignal vom Gatter 62 ist daher ein Signal, das die augenblickliche Winkelgeschwindigkeit (kleines Omega ´ [tief]i) des Motors 14 angibt. Wie zuvor in Verbindung mit Fig. 2 erläutert wurde, werden die digitalen Signale vom Gatter 62 mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers 64 in analoge Signale umgeformt, der von einer Verzögerungsschaltung 66 zurückgesetzt wird, die konstante Zeitintervallsignale (großes Delta t') vom Taktoszillator 60 erhält. Eine Abtast- und Halteschaltung 68 erhält das Ausgangssignal (kleines Omega ´ [tief]i) vom Digital-Analog-Wandler 64 und ein Signal (großes Delta t') vom Taktoszillator 60 und gibt ein bestimmtes Winkelgeschwindigkeitssignal (kleines Omega ´ [tief]i) an ein Differenzierglied 70, das das Winkelgeschwindigkeitssignal nach der Zeit differenziert. Das Ausgangssignal vom Differenzierglied 70 gibt die Änderung der Winkelgeschwindigkeit über einer konstanten Zeitdauer an. Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass die Ableitung der Winkelgeschwindigkeit nach der Umdrehung ebenfalls in der Weise erhalten werden kann, wie dieses in Verbindung mit Fig. 2 erläutert wurde. Das Ausgangssignal (G'[tief]i), das den augenblicklichen Gradienten der Winkelverzögerungs-Winkelverschiebungs-Kurve, die hier nicht gezeigt ist, angibt, die für das festzuziehende Befestigungsmittel aufgetragen werden kann, wird an einen Vergleicher 72 ähnlich dem Vergleicher 42 in der Ausführungsform der Fig. 2 gegeben. Das bis zu irgendeinem Punkt längs der Winkelverzögerungs-Winkelverschiebungs-Kurve aufgetretene maximale Gradientensignal (G'[tief]max) wird in einer Speicherschaltung 74 gespeichert, die ähnlich der bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 gezeigten Speicherschaltung 44 ist. Ein Vergleicher 72 vergleicht den augenblicklichen Gradienten mit dem zuvor gespeicherten maximalen Gradienten und die Schaltung 74 speichert den vom Vergleicher 72 bestimmten maximalen Gradienten. Das Ausgangssignal von der Speicherschaltung 74 (G'[tief]max) wird an eine Teilerschaltung 76 gegeben, wo ein bestimmter Prozentsatz des gespeicherten maximalen Gradientensignals (G'[tief]max) erhalten wird. Die vorherige Erläuterung in Verbindung mit der Ausführungsform der Fig. 2 zur Bestimmung des geeigneten Abschaltpunktes für den maximalen Gradienten, was durch die Teilerschaltung 48 bewirkt wird, ist auch auf die Teilerschaltung 76 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel anzuwenden. Das Ausgangssignal von der Teilerschaltung 76, das einen Prozentsatz des maximalen gespeicherten Gradienten (%G'[tief]max) angibt, wird in einen Vergleicher 78 zusammen mit dem augenblicklichen Gradientensignal (G'[tief]i) von dem Differenzierglied 70 eingegeben. Sind beide Signale im wesentlichen gleich, so wird ein Steuersignal vom Vergleicher 78 an das elektromagnetische Ventil 20 gegeben, das die Strömung des

Strömungsmittels an den Bolzenschlüssel 12 abschaltet und das Festziehen des Befestigungssystems beendet.

Bei beiden in dieser Anmeldung erläuterten Ausführungsbeispielen wurde die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Befestigungsmittels durch inkrementelle Winkelverschiebungssignale bestimmt, die bei der Drehung des Motors gemessen werden und durch konstante Zeitintervallsignale von einem Oszillator, der unabhängig von dem Motor ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese in den bevorzugten Ausführungsbeispielen beschriebenen Einrichtungen beschränkt ist. Winkelgeschwindigkeitsmessungen können in geeigneter Weise mit Hilfe irgendeiner aus einer Anzahl bekannter herkömmlicher Einrichtungen durchgeführt werden, und die von diesen Einrichtungen erzeugten Signale, die die Winkelgeschwindigkeit der Drehung angeben, können in Kombination mit den Steuersystemen benutzt werden, die zum Steuern des Festziehsystems angegeben sind. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass obwohl Fig. 1 die Winkelverschiebung als abhängige veränderliche auf der horizontalen Achse benutzt, auch die Zeit als abhängige veränderliche benutzt werden kann. Die Einrichtungen zum Erzeugen der erforderlichen Zeitsignale sind bei beiden Ausführungsbeispielen Oszillatoren 30 und 60, so dass eine weitere Beschreibung oder Erläuterung in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele nicht enthalten ist.

Nachdem nun verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert wurden, können einige der vielen Vorteile leicht verstanden werden. Die hier beschriebenen Festzieh- und Steuersysteme erfordern jeweils eine minimale vorherige Kenntnis der Eigenschaften einer bestimmten, festzuziehenden Verbindung. Jedes Steuersystem ist an die Festzieheigenschaften, die von jeder Verbindung erhalten werden, vollständig anzupassen. Die Steuersysteme sind relativ einfach und zuverlässig, und ziehen jedes Befestigungssystem genau bis zu seiner Streckgrenze an. Eine relativ teure Drehmomentzelle, die bisher bei allen bekannten Festziehsystemen benutzt wurde, wird fortgelassen, wodurch das vorliegende Festziehsystem billiger wird.

Obwohl im Vorstehenden verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Festziehsystems erläutert wurden, kann eine Anzahl von Änderungen und Modifikationen von jedem Fachmann sofort erkannt werden, die innerhalb des allein durch die Patentansprüche umrissenen allgemeinen Erfindungsgedankens liegen.

Claims (23)

1. Vorrichtung zum Festziehen einer ein Befestigungsmittel aufweisenden Anordnung bis zu einem bestimmten Festziehzustand, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (12) zum Aufbringen einer Winkelbewegung auf das Befestigungsmittel, durch eine zweite Einrichtung (24) zum Messen der Winkelverschiebung des Befestigungsmittels und zum Erzeugen eines diese angebenden Signals, durch eine dritte Einrichtung (30, 32) zum Erzeugen eines Signals, das die Winkelgeschwindigkeit des Befestigungsmittels angibt, durch eine einen Gradienten berechnende vierte Einrichtung (42), die das Winkelvorschiebungs-Signal und das Winkelgeschwindigkeits-Signal zum Ableiten eines Signals erhält, das den augenblicklichen Gradienten der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve angibt, über die die Anordnung festzuziehen ist, und durch eine Steuereinrichtung (44, 46, 48), die auf das Gradientensignal anspricht, um die Streckgrenze oder einen ähnlichen signifikanten Punkt zu bestimmen, der eine bemerkenswerte

Änderung in der Steigung der Kurve angibt, und zum Erzeugen eines Steuersignals, wenn die Anordnung bis zu diesem Punkt festgezogen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Einrichtung (30, 32) eine fünfte Einrichtung (30) zum Erzeugen eines ein Zeitinkrement angebenden Signals aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Einrichtung (42) eine Einrichtung (32), die das Winkelverschiebungs-Signal und das Zeitinkrement-Signal zum Ableiten eines Signals erhält, das die Winkelgeschwindigkeit des Befestigungsmittels angibt, und eine Einrichtung (38) aufweist, die das Winkelgeschwindigkeits-Signal und das Winkelverschiebungs-Signal zum Ableiten eines augenblicklichen Gradientensignals erhält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44, 46, 48) eine Einrichtung (44) zum Speichern eines Signals aufweist, das den Gradienten der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve über ihren Festziehbereich angibt, und zum Erzeugen des Steuersignals, wenn das augenblickliche Gradientensignal eine bestimmte Beziehung gegenüber dem gespeicherten Signal hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gespeicherte Signal den maximalen Gradienten der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve angibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal erzeugt wird, wenn das augenblickliche Gradientensignal etwa 2/3 des maximalen Gradientensignals beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal erzeugt wird, wenn das augenblickliche Gradientensignal zwischen etwa 25% bis 75% des maximalen Gradientensignals beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der inkrementellen Zeitsignale zu gleich beabstandeten Zeitintervallen abgeleitet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Einrichtung (42) eine Einrichtung zum Differenzieren des augenblicklichen Gradientensignals und zum Erzeugen eines entsprechenden Signals aufweist und dass die Steuereinrichtung (44, 46, 48) auf dieses differenzierte Signal anspricht und das Steuersignal erzeugt, wenn die Anordnung bis zu dem genannten Punkt festgezogen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Einrichtung (30, 32) eine fünfte Einrichtung (30) zum Erzeugen eines ein Zeitinkrement angebenden Signals aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Einrichtung (42) eine Einrichtung (32), die das Winkelverschiebungs-Signal und das Zeitinkrement-Signal zum Erzeugen eines Signals erhält, das die Winkelgeschwindigkeit des Befestigungsmittels angibt, und eine Einrichtung (40) aufweist, die das Winkelgeschwindigkeits-Signal und das Winkelverschiebungs-Signal zum Erzeugen des augenblicklichen Gradientensignals erhält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44, 46, 48) eine Einrichtung (44) zum Speichern eines Signals aufweist, das die Ableitung des Gradienten der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve über den Festziehbereich angibt, und dass das Steuersignal erzeugt wird, wenn das differenzierte augenblickliche Gradientensignal eine bestimmte Beziehung zu dem gespeicherten Signal hat.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gespeicherte Signal die maximale Ableitung des Gradienten der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve angibt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal erzeugt wird, wenn das differenzierte augenblickliche Gradientensignal etwa 2/3 der maximalen Ableitung des Gradientensignals ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal erzeugt wird, wenn das augenblickliche Gradientensignal zwischen etwa 25% bis 75% des maximalen Gradiensignals beträgt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Zeitinkrement-Signale bei gleich beabstandeten Zeitintervallen erzeugt wird.

17. Verfahren zum Festziehen einer ein mit einem Gewinde versehenes Befestigungsmittel aufweisenden Anordnung bis zu einem bestimmten Festziehzustand, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelbewegung auf das Befestigungsmittel aufgebracht wird, dass die Winkelverschiebung des Befestigungsmittels gemessen und ein diese angebendes Signal erzeugt wird, dass ein die Winkelgeschwindigkeit des Befestigungsmittels angebendes Signal abgeleitet wird, dass ein den augenblicklichen Gradienten der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve angebendes Signal abgeleitet wird, über die das Befestigungsmittel angezogen wird, und dass die Streckgrenze oder ein ähnlicher signifikanter Punkt in Abhängigkeit von dem Gradientensignal bestimmt wird, der eine bemerkenswerte Änderung in der Steigung dieser Kurve angibt, und ein Steuersignal erzeugt wird, wenn die Anordnung bis zu diesem Punkt festgezogen ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelgeschwindigkeits-Signal aus den Zeitinkrement-Signalen und den Winkelverschiebungs-Signalen abgeleitet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal gespeichert wird, das den Gradienten der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve über ihren Festziehbereich angibt, und dass das Steuersignal abgeleitet wird, wenn das augenblickliche Gradientensignal eine bestimmte Beziehung zu dem gespeicherten Signal hat.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das gespeicherte Signal den maximalen Gradienten der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve angibt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal abgeleitet wird, wenn das augenblickliche Gradientensignal etwa 2/3 des maximalen Gradientensignals beträgt.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal abgeleitet wird, wenn das augenblickliche Gradientensignal zwischen etwa 25% bis 75% des maximalen Gradientensignals beträgt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitinkrement-Signale bei gleich beabstandeten Zeitintervallen erzeugt werden.