EP0203370B1

EP0203370B1 - Schraubvorrichtung mit motorgetriebenem Schraubendreher

Info

Publication number: EP0203370B1
Application number: EP86105600A
Authority: EP
Inventors: Klaus Dr.-Ing. Dobler; Hansjörg Dipl.-Ing.(FH) Hachtel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-05-30
Filing date: 1986-04-23
Publication date: 1989-07-12
Also published as: DE3664280D1; DE3519352A1; EP0203370A1

Description

Schraubvorrichtung mit motorgetriebenem Schraubendreher

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schraubvorrichtung mit motorgetriebenem Schraubendreher nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige Schraubvorrichtungen werden als Schraubautomaten beispielsweise zum Einschrauben von einer Vielzahl gleicher Schrauben verwendet. Die Schrauben sollen dabei einerseits schnell an dem jeweiligen Werkstück eingeschraubt werden, wobei jedoch ein vorgegebenes maximales Drehmoment beim Anziehen der Schrauben nicht überschritten werden sollte. Aus diesem Grunde besitzt die Schraubvorrichtung eine Drehmoment-Meßeinrichtung zur Überwachung des maximalen Drehmoments. Die Schraube wird zunächst mit einer hohen Drehzahl eingeschraubt, um dann bei herabgesetzter Drehzahl auf das vorgegebene maximale Enddrehmoment angezogen zu werden. Die Umschaltung auf geringere Drehzahl wird bei bekannten Schraubvorrichtungen dann eingeleitet, wenn eine bestimmte Drehmomentschwelle beim Anziehen der Schraube erreicht ist. In der Praxis wird bei diesen bekannten Schraubvorrichtungen jedoch häufig das maximal zulässige Enddrehmoment überschritten, da beispielsweise bei hohen Drehzahlen die erforderliche schnelle Drehzahlabsenkung auf Grund der Massenträgheit nicht möglich ist. Werden für das Werkstück und die Schraube sehr harte Werkstoffe verwendet, so hat dies einen sehr steilen Drehmomentanstieg zur Folge, sobald der Schraubenkopf die oberfläche des Werkstücks berührt. Auch in diesen Fällen kann bei den bekannten Schraubvorrichtungen mit ausschließlicher Drehmomentüberwachung eine sichere Drehmomentbegrenzung, insbesondere bei hohen Schrauberdrehzahlen, nicht gewährleistet werden.
Aus der Patentschrift US-A-4 173 059 ist ein Schraubverfahren bekannt, das vorzugsweise auf handgeführte Schrauber anwendbar ist. Dabei wird der Schrauber auf den Kopf der Schraube aufgesetzt und "von Hand" der in das Werkstück eindringenden Schraube nachgeführt. Die zunächst hohe Drehzahl des Schraubkopfes wird nach Ablauf einer fest eingestellten Laufzeit auf eine niedere Drehzahl umgeschaltet. Die Schraube wird nun unter Kontrolle des Drehmomentes über einen bestimmten Drehwinkel festgezogen. Hierbei ist ungünstig, daß die Laufzeit des Schraubkopfes mit hoher Drehzahl fest vorgegeben ist. Drehzahlschwankungen des Schraubkopfes sowie unterschiedliche Reibungswerte der einzudrehenden Schraube bewirken, daß die Schraubtiefe sehr unterschiedlich sein kann. Wird die Schraube nach dem Umschalten auf die niedere Drehzahl mit einem vorgegebenen Winkel festgezogen, dann führt auch das Anzugsmoment der Schraube - je nach Reibwert des Gewindes - zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen.
Dieses Verfahren ist insbesondere für feststehende Schrauber nicht geeignet, da solche Schrauber üblicherweise eine vorgegebene Distanz zum Werkstück einhalten und infolgedessen der Schraubkopf nicht wie beim Handbetrieb der in das Werkstück eindringenden Schraube nachgeführt werden kann. Dadurch kommt es dann früher oder später zur Unterbrechung des Kraftschlusses.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schraubvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine zusätzliche Weg-Meßeinrichtung die Drehzahl des motorgetriebenen Schraubendrehers rechtzeitig so weit reduziert werden kann, daß die dann wirksame Drehmoment-Meßeinrichtung eine sichere Drehmomentüberwachung und ein exaktes Anziehen der Schrauben auf ein vorgegebenes Enddrehmoment ermöglicht. Die Weg-Meßeinrichtung überwacht zu diesem Zweck die axiale Verschiebung des Schraubendrehers, der vorzugsweise eine Keilwelle besitzt, die in entsprechende Nuten an der Antriebsspindel der Schraubvorrichtung axial verschiebbar eingreift. Stellt die Weg-Meßeinrichtung eine vorgegebene axiale Verschiebung fest, so wird die Drehzahl des Antriebsmotors, der ein Elektro- oder Druckluftmotor sein kann, herabgesetzt und es wird gleichzeitig die Drehmoment-Meßeinrichtung aktiviert.
In besonders vorteilhafter Weise ist weiterhin vorgesehen, daß für die Überwachung und Auswertung der axialen Verschiebung des Schraubendrehers und des Drehmoments eine gemeinsame Auswerteeinrichung verwendet wird, deren Eingang über einen Umschalter wahlweise mit der Weg-Meßeinrichtung oder der Drehmoment-Meßeinrichtung verbindbar ist. Zu Beginn des Schraubvorganges ist nur die Weg-Meßeinrichtung mit der Auswerteeinrichtung verbunden, da zunächst eine Drehmomentüberwachung nicht erforderlich ist. Erst wenn der Schraubenkopf einen vorgegebenen, einstellbaren Abstand zur Werkstückoberfläche aufweist, wird dies von der Weg-Meßeinrichtung festgestellt, worauf die Auswerteeinrichtung eine Umschaltung auf die Drehmoment-Meßeinrichtung mit gleichzeitiger Drehzahlreduzierung veranlasst. Damit eine derartige Umschaltung zwischen Drehmoment-Meßeinrichtung und Weg-Meßeinrichtung problemlos möglich ist, werden in diesen Meßeinrichtungen gleichartige Sensoren, beispielsweise Meßspulen, kapazitive oder optische Sensoren verwendet. Die Drehmoment-Meßeinrichtung kann in an sich bekannter Weise ausgeführt sein, wie sie in der DE-OS-2 951 148 beschrieben ist. Die Weg-Meßeinrichtung besitzt vorzugsweise eine die Keilwelle umschließende Ringspule, die beispielsweise die Lage einer an der Keilwelle angebrachten Ringnut überwacht.
Die bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Weg-Messung und die Drehmoment-Messung nach dem Wirbelstrom-Meßverfahren erfolgen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht einer Schraubvorrichtung im Bereich der Antriebsspindel,
Fig.2 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild der elektrischen Schaltung zur Begrenzung des Enddrehmoments,
Fig. 3 ein detaillierteres Schaltbild der in Fig. 2 enthaltenen Auswerteeinrichtung und der mit ihr eingangsseitig verbundenen Einrichtungen und
Fig.4 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Schraubvorrichtung.

Fig. 1 zeigt den unteren Teil der Motorwelle 1 einer Schraubvorrichtung, die über eine Drehmoment-Meßeinrichtung 2 mit einer Antriebsspindel 3 verbunden ist. Am unteren Ende der Antriebsspindel 3 greift in diese eine Keilwelle 4 ein, die den Schaft eines axial verschiebbaren Schraubendrehers 5 bildet. Am unteren Ende des Schraubendrehers 5 befindet sich ein Schraubvorsatz 6, in den von unten der Schraubenkopf 7 einer in ein Werkstück 8 einzuschraubenden Schraube 9 eingreift. Am Werkstück 8 ist zu diesem Zweck eine Gewindebohrung 10 vorgesehen, die hier durch unterbrochene Linien angedeutet ist.
Am unteren Ende der Antriebsspindel 3 befindet sich eine Weg-Meßeinrichtung 11, die mit der Antriebsspindel 3 starr verbunden ist. Als Sensorelement besitzt die Weg-Meßeinrichtung 11 eine Ringspule 12, die die Keilwelle 4 ringförmig umschließt. Bewegt sich die Keilwelle 4 während des Schraubvorgangs in Pfeilrichtung a nach unten, so gelangt eine an der Keilwelle 4 angebrachte Ringnut 13 in den Bereich der Ringspule 12. Dadurch tritt eine Änderung der Induktivität der Ringspule 12 ein, wodurch ein entsprechendes elektrisches Signal von der Weg-Meßeinrichtung 11 an eine Auswerteeinrichtung abgegeben wird. Die Auswerteeinrichtung ist anhand von Fig. 3 näher beschrieben.
Die Antriebsspindel 3 besitzt für die Aufnahme der Keilwelle 4 eine an das Profil der Keilwelle 4 angepaßte Öffnung 14, die auch als mit Längsnuten versehene Buchse ausgebildet sein kann.
Anhand von Fig. 2, die das stark vereinfachte Blockschaltbild der elektrischen Schaltung zeigt, wird die Funktion der Schraubvorrichtung erläutert. Zu Beginn des Schraubvorganges wird einer Auswerteeinrichtung 15 ein Startsignal von außen zugeführt, die daraufhin den die Motorwelle 1 antreibenden Motor M einschaltet. Zu diesem Zweck ist die Auswerteeinrichtung 15 mit einer die Drehzahl des Motors M steuernden Motorsteuerung 16 verbunden. Der Motor M läuft zunächst mit hoher Drehzahl.
Über einen Umschalter 17, dessen Schaltstellung von der Auswerteeinrichtung 15 gesteuert wird, ist zunächst die Weg-Meßeinrichtung 11 mit dem Eingang der Auswerteeinrichtung 15 verbunden. Sobald die Weg-Meßeinrichtung 11 einen vorgegebenen Abstand zwischen Schraubenkopf 7 und Oberfläche des Werkstücks 8 an die Auswerteeinrichtung 15 meldet, schaltet diese den Umschalter 17 in die andere, hier nicht dargestellte Stellung um und verbindet damit die Drehmoment-Meßeinrichtung 2 mit dem Eingang der Auswerteeinrichtung 15. Gleichzeitig veranlaßt die Auswerteeinrichtung 15 über die Motorsteuerung 16 eine Reduzierung der Motordrehzahl.
Der Schraubvorgang wird nun mit gegebenenfalls stark reduzierter Motordrehzahl fortgesetzt, wobei eine ständige Überwachung des Drehmoments über die Drehmoment-Meßeinrichtung 2 erfolgt. Steigt das Drehmoment bei Anlage des Schraubenkopfes 7 am Werkstück 8 an, so erfolgt eine Abschaltung des Schraubvorganges sobald ein vorher eingestelltes Enddrehmoment beziehungsweise ein maximales Drehmoment von der Drehmoment-Meßeinrichtung 2 festgestellt und an die Auswerteeinrichtung 15 übermittelt wird. Die Auswerteeinrichtung 15 schaltet dann den Motor M über die Motorsteuerung 16 ab und kann nachfolgend eine Umschaltung des Schalters 17 in die hier dargestellte Stellung veranlassen.
Zur Festlegung des für die Umschaltung des Schalters 17 vorgesehenen Abstandes zwischen Schraubenkopf 7 und Werkstück 8 genügt es, wenn die Antriebsspindel 3 in eine entsprechende vertikale Position gebracht wird, daß gerade bei dem gewünschten Abstand die Ringnut 13 in den Bereich der Ringspule 12 gelangt und von der Weg-Meßeinrichtung 11 ein entsprechendes, diesen Zustand kennzeichnendes elektrisches Signal an die Auswerteeinrichtung 15 übermittelt wird. Es kann somit auf einfache Weise ein den jeweiligen Anforderungen entsprechender Abstand zwischen Schraubenkopf 7 und Werkstück 8 festgelegt werden, bei dem während des Schraubvorganges eine Drehzahlreduzierung vorgenommen wird. Bei sehr hohen Drehzahlen zu beginn des Schraubvorganges kann ein entsprechend größerer Abstand für die Drehzahlumschaltung vorgesehen sein als bei niedrigen Anfangsdrehzahlen. Der für die Drehzahlreduzierung maßgebliche Abstand muß in jedem Fall so gewählt werden, daß unter Berücksichtigung der Trägheit der rotierenden Massen eine so starke Drehzahlreduzierung vorgenommen werden kann, daß eine Überschreitung eines vorgegebenen Drehmoments beim Anziehen der Schraube 9 sicher vermieden wird.
In Fig. 3 ist insbesondere die Auswerteschaltung 15 näher dargestellt. Sie enthält einen Oszillator G der eine hochfrequente Wechselspannung liefert (z. B. 20 kHz bis 10 MHz). Der Oszillator G ist mit seiner ersten Ausgangsklemme über einen ersten Widerstand R1 mit dem einen Ende einer Meßspule 18 und über einen zweiten Widerstand R2 mit der Ausgangsklemme des Umschalters 17 verbunden. Die zweite Ausgangsklemme des Oszillators G ist mit einer Anzapfung der Meßspule 18 und über zwei Kondensatoren C1, C2 mit R1 und R2 verbunden. Eine der Eingangsklemmen des Umschalters 17 ist mit dem anderen Ende der Meßspule 18 und die andere Eingangsklemme mit einem Ende der Ringspule 12 verbunden. Das andere Ende der Ringspule 12 ist mit der Anzapfung der Meßspule 18 verbunden. Der in der Zeichnung dargestellte obere Teil der Meßspule 18 dient als Kompensationsspule 28, um den Einfluß von etwa auftretenden Temperaturschwankungen auf das Meßergebnis zu eliminieren und außerdem eine gemeinsame Nullpunkteinstellung für die Weg- und die Drehmomentmessung zu ermöglichen. Der untere Teil der Meßspule 18 dient als induktiver Sensor für die Drehmomentmessung. Über den Umschalter 17 kann wahlweise der untere Teil der Meßspule 18 oder die Ringspule 12 über R2 mit dem Oszillator G verbunden werden.
Die Meßspule 18 und die Ringspule 12 sind in einer Brückenschaltung angeordnet, die die Eckpunkte F, K und M besitzt. Der Eckpunkt F der Brückenschaltung ist über die Reihenschaltung eines Kondensators C3 und eines Gleichrichters D1 mit einem Speicherkondensator C4 verbunden, an den im Verbindungspunkt D ein Entladewiderstand R3 angeschlossen ist, der ebenfalls wie der Kondensator C4 und ein weiterer Gleichrichter D2 an den Eckpunkt M der Brückenschaltung angeschlossen ist.
In spiegelbildlicher Weise ist der Eckpunkt K über eine Reihenschaltung eines Kondensators C5 und eines Gleichrichters D3 mit einem Speicherkondensator C5 verbunden, an den im Verbindungspunkt E ein Entladewiderstand R4 angeschlossen ist, der ebenso wie der Kondensator C5 und ein Gleichrichter D4 an den Eckpunkt M der Brückenschaltung angeschlossen ist.
Zur Unterdrückung von Oberwellen sind noch zwei RC-Glieder bestehend aus den Widerständen R5, R6 und den Kondensatoren C6 und C7 vorgesehen. Die an der Reihenschaltung der Querkondensatoren C6, C7 entstehende, praktisch oberwellenfreie Gleichspannung kann mit Hilfe der Kompensationsspule 28 und der Widerstände R1, R2, die als einstellbare Widerstände ausgebildet sein können, für Justierzwecke verändert werden.
Zur Weiterverarbeitung dieser Gleichspannung ist ein Differenzverstärker 19 vorgesehen, der mit seinen beiden Eingängen an diese Gleichspannung angeschlossen ist. Der an den Längswiderstand R5 angeschlossene erste Eingang des Differenzverstärkers 19 ist dabei gleichzeitig über einen Widerstand R7 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden, während der an den Längswiderstand R6 angeschlossene zweite Eingang des Differenzverstärkers 19 über einen Widerstand R8 an Masse liegt.
Am Ausgang des Differenzverstärkers 19 steht ein Signal an, das einerseits als Eingangssignal A an einen ersten Eingang eines Schaltwerks 20 gelegt ist, andererseits als Zustandssignal C zur Steuerung des Motors M dient, während an einem zweiten Eingang des Schaltwerks 20 ein Signal B anliegt, das Aufschluß über den Schraubendreherzustand gibt.
Im Schaltwerk 20 wird durch logische Verknüpfung des vom Differenzverstärker 19 gelieferten Signals A und des den Zustand des Schraubendrehers beschreibenden Signals B ein Steuersignal zur Betätigung des Umschalters 17 gebildet.
Wenn der Schraubendreher 5 in seiner Anfangsposition ist und entweder stillsteht oder anläuft, dann liegt an dem zweiten Eingang des Schaltwerks 20 das Signal B = 1 an und der Umschalter 17 befindet sich in der dargestellten Schalterstellung, so daß die Ringspule 12 an die Auswerteeinrichtung 15 angeschlossen ist. Gleichzeitig wird durch das Schaltwerk 20 das am Ausgang des Differenzverstärkers 19 auftretende Signal A abgefragt. Wenn der Schraubvorgang beginnt, ist dieses zunächst auf "Null". Ist der Schraubvorgang jedoch so weit fortgeschritten, daß die Ringnut 13 in den Bereich der Ringspule 12 eintritt, dann wird das Signal am Ausgang des Differenzverstärkers 19 zu A = 1.
Dieses Signal wirkt einmal als Zustandssignal C für die Steuerung des Motors M und bewirkt, daß der Motor M auf niedrigere Drehzahl umgeschaltet wird. Die Änderung des Signals A von A = 0 auf A = 1 bewirkt im Schaltwerk 20, daß von diesem an den Schalter 17 ein Umschaltbefehl erteilt wird. Der Umschalter 17 geht in die andere, nicht dargestellte Stellung, so daß die Meßspule 18 wirksam wird.
Nach Beendigung des Schraubvorgangs wird der Motor M abgeschaltet, so daß am zweiten Eingang des Schaltwerks 20 das Signal B = 0 auftritt. Gleichzeitig oder spätestens beim Abheben des Schraubendrehers 5 vom Schraubenkopf 7 fällt das Spindeldrehmoment auf Null zurück und das vom Ausgang des Differenzverstärkers 19 auf den ersten Eingang des Schaltwerks 20 gegebene Signal A wird wieder A = 0. Der Umschalter 17 erhält jedoch vom Schaltwerk 20 erst dann einen Umschaltbefehl zur Umschaltung auf die dargestellte Schalterstellung, wenn das am zweiten Eingang des Schaltwerks 20 anliegende Signal wieder B = 1 wird. Dies ist dann der Fall, wenn der Schraubendreher 5 in die Anfangsposition für den nächsten Schraubvorgang gebracht ist.
Anhand von dem in Figur 4 dargestellten Flußdiagramm wird nun der Ablauf der Weg-Momentmessung angegeben.
Nach erfolgtem Start steigt zunächst die Drehzahl n an. Dieser Anfangszustand wird durch ein Signal B = 1 dem Schaltwerk 20 angezeigt. Der Schalter 17 (Figur 3) befindet sich in der dargestellten Stellung, so daß die Wegmessung folgen kann. Während dieses Abschnitts des Schraubvorganges wird ständig überprüft, ob eine vorgegebene Verschiebung bzw. eine Wegschwelle erreicht wird. Bei Erreichen der Wegschwelle wird A = 1 und es wird die Drehzahl n abgesenkt. Daraufhin erfolgt eine Umschaltung auf die Momentmessung und A wird wieder gleich "0". In diesem Abschnitt des Schraubvorganges erfolgt nun eine ständige Momentmessung, die daraufhin überwacht wird, ob eine vorgegebene Momentschwelle erreicht wird. Bei Erreichen der Momentschwelle wird A - 1 und der Schraubvorgang wird dadurch beendet, daß der Antriebsmotor abgeschaltet und der Schrauber in seine Ausgangsposition hochgefahren wird. Dabei wird B = 0 und A = 0 gesetzt. Durch ein erneutes Startsignal kann der nächste Schraubvorgang eingeleitet werden.

Claims

1. Schraubvorrichtung mit motorgetriebenem Schraubendreher (5), und mit einer Drehmoment-Meßeinrichtung (2) und einer Auswerteeinrichtung (15) zur Drehmomentbegrenzung, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubendreher (5) gegenüber einer nicht axial verschiebbaren Motorwelle (1) bzw. dem Gehäuse der Schraubvorrichtung um eine vorgegebene Verschiebungslänge (a) axial verschiebbar ist, daß eine Weg-Meßeinrichtung (11) die axiale Verschiebung des Schraubendrehers (5) überwacht und daß bei Erreichen der vorgegebenen Verschiebungslänge (a) die Motordrehzahl reduziert und das auftretende Drehmoment überwacht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung (15) wahlweise über einen Umschalter (17) mit der Weg-Meßeinrichtung (11) oder der Drehmoment-Meßeinrichtung (2) verbihdbar ist, daß während des Schraubvorganges zunächst nur die Weg-Meßeinrichtung (11) mit der Auswerteeinrichtung (15) verbunden ist und daß bei Erreichen der vorgegebenen Verschiebungslänge (a) des Schraubendrehers (5) die Auswerteeinrichtung (15) die Drehmomentauswertung vornimmt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Weg-Meßeinrichtung (11) als auch die Drehmoment-Meßeinrichtung (2) gleichartige Sensoren besitzen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren Meßspulen (12, 18) sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubendreher (5) eine Keilwelle (4) hat, die in eine entsprechend profilierte Öffnung (14) einer Antriebsspindel (3) eingreift, die über eine Drehmoment-Meßeinrichtung (2) mit der Motorwelle (1) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubendreher (5) eine Markierung hat, deren axiale Verscheibung von einem mit der Weg-Meßeinrichtung (11) verbundenen Sensor überwachtwird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Markierung eine Ringnut (13) vorgesehen ist, und daß der Sensor der Weg-Meßeinrichtung (11) eine Ringspule (12) ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegmessung und die Drehmomentmessung nach dem Wirbelstrom-Meßverfahren erfolgen.