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Dokumentenidentifikation DE4025430A1 13.02.1992
Titel Drehschrauberkopf
Anmelder PSM Drucklufttechnik Vertrieb GmbH, 8033 Planegg, DE
Erfinder Schlembach, Werner W., 8132 Tutzing, DE;
März, Heinz, 8560 Lauf, DE;
Müller, Wolfram, Dipl.-Ing., 8000 München, DE
Vertreter Lewinsky, D., Dipl.-Ing. Dipl.oec.publ.; Prietsch, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 10.08.1990
DE-Aktenzeichen 4025430
Offenlegungstag 13.02.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.02.1992
IPC-Hauptklasse B25B 23/145
Zusammenfassung Ein Drehschrauberkopf, der durch fortlaufende Messung der Vorspannkraft der Schraube insbesondere für Hochgenau- und Sicherheitsverschraubungen einsetzbar ist, weist einen elektroakustischen Ultraschallwandler (15) innerhalb des Schraubwerkzeuges (4a) auf. Der Wandler (15) ist axial verschieblich angeordnet und in Richtung des Schraubenkopfes (7) federbelastet. Eine Auswerteelektronik, mit der der Wandler (15) verbunden ist, ermittelt aus den Laufzeitunterschieden zwischen den gesendeten und den empfangenen Ultraschallimpulsen die Vorspannkraft und gibt bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes ein Signal ab.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Drehschrauberkopf mit einer Antriebswelle, die über ein Getriebe eine Spindel antreibt, mit der ein Schraubwerkzeug drehfest verbunden ist, und mit einem Sensor, der über eine Auswerteelektronik das Erreichen eines vorgegebenen Parameters der Verschraubung anzeigt und/oder den Stillstand der Spindel auslöst.

Drehschrauberköpfe oder auch mit solchen Köpfen ausgerüstete Drehschrauberwerkzeuge, die gewöhnlich über Druckluft- oder Elektromotore angetrieben werden, sind allgemein bekannt. Die Kontrolle der Güte der hergestellten Schraubverbindung erfolgt praktisch ausschließlich auf der Grundlage einer mittelbaren oder unmittelbaren Messung des Anzugsdrehmomentes, bei hohen Güteanforderungen zusätzlich durch Messung des Anzugsdrehwinkels, der allerdings seinerseits unter anderem vom Anzugsdrehmoment abhängig ist, da die Drehwinkelmessung mit dem Erreichen eines bestimmten Drehmomentwertes (z. B. 30% des Wertes des angestrebten Enddrehmoments) einsetzt. Als Sensoren werden daher bei den bekannten Drehschraubern bzw. Drehschrauberköpfen Dehnungsmeßstreifen und, sofern eine Drehwinkelmessung vorgesehen ist, elektrooptische Winkelgeber verwendet.

Indessen hängt die Güte einer Verschraubung von der tatsächlich erreichten Klemmkraft ab. Das erreichte Anzugsdrehmoment ist aber kein zuverlässiges Maß für die erreichte Klemmkraft, denn das Drehmoment wird unter anderem von den Toleranzen der beteiligten Gewinde, von der Gewindeschmierung, dem Verformungsverhalten der beiden zu fügenden Werkstücke, dem Fließverhalten von Dichtungen usw. beeinflußt. Das einzige zuverlässige Verfahren zur Kontrolle der Güte einer Verschraubung ist daher die Messung der durch die Verschraubung in der Schraube erzeugten Vorspannkraft. Diese sog. Schraubenspannungsmessung ist ebenfalls bekannt. Hierzu wird mittels eines auf das eine Ende der Schraube (oder des Schraubenbolzens) aufgesetzten elektroakustischen Wandlers ein Ultraschallimpuls in die Schraube gesendet, der vom anderen Ende der Schraube reflektierte Impuls empfangen und mittels einer Auswerteelektronik die durch die Verschraubung eingetretene Längung der Schraube errechnet, aus der sich wiederum über den Elastizitätsmodul die Vorspannkraft errechnen läßt. Dieses Verfahren ist jedoch äußerst zeitaufwendig, da der Verschraubungsvorgang mehrfach unterbrochen werden muß, um sicherzustellen, daß der vorgegebene Grenzwert der Vorspannkraft keinesfalls überschritten wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Drehschrauberkopf der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, der die auf der Drehmomentmessung beruhenden Nachteile der bisherigen Drehschrauber bzw. Drehschrauberköpfe vermeidet, sich die Vorteile der Vorspannkraftmessung zunutze macht und daher sowohl für sog. harte als auch für sog. weiche Schraubverbindungen und insbesondere für Hochgenau- und Sicherheitsverschraubungen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen dieses Drehschrauberkopfes sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung sind zwei verschiedene Ausführungsformen des Drehschrauberkopfes nach der Erfindung beispielhaft und schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform im Längsschnitt und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt den Winkelkopf eines Drehschrauberwerkzeuges. Innerhalb eines Gehäuses 1 ist über ein unteres Rollenlager 2 und ein oberes Rollenlager 3 eine Spindel 4 drehbar gelagert, die mit einem Kegelrad 5 drehfest verbunden ist, das seinerseits mit einem Kegelrad 6 kämmt, das drehfest mit der nicht mehr dargestellten Welle des Antriebsmotors des Drehschrauberwerkzeuges verbunden ist.

Das untere Ende der Spindel 4 ist als Schraubwerkzeug in Form einer Nuß 4a ausgebildet, die den Kopf 7 einer insgesamt mit 8 bezeichneten Schraube übergreift.

Innerhalb der Spindel befindet sich eine Hohlachse 9, die durch eine Schraubkappe 10 des Gehäuses 1 aus diesem herausgeführt ist. Die Hohlachse 9 ist mit einem Keilwellenprofil 9a oder dergl. versehen, dem ein in dem Deckel 10 ausgebildetes, komplementäres Keilnutenprofil (ohne Bezugszeichen) entspricht. Auf diese Weise ist die Hohlachse 9 drehfest und gleichzeitig axial verschieblich in dem Gehäuse 1 gehalten und geführt. Die Hohlachse 9 hat an ihrem unteren Ende ein Flansch 9b. Gegen diesen stützt sich das untere Ende einer vorgespannten Schraubendruckfeder 11 ab, deren oberes Ende gegen eine Innenschulter der Spindel 4 anliegt. Der Flansch 9b ist unterseitig mit einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung versehen. In dieser Ausnehmung sitzt, gehalten durch einen in dem Flansch 9b festgelegten Querstift 12, der ballige Kopf einer Hülse 13. Der Querstift 12 durchgreift eine im Vergleich zu seinem Durchmesser wesentlich größere Querbohrung 13a in dem balligen Kopf der Hülse 13. Die Hülse 13 ist daher innerhalb eines gewissen Winkelbereiches gegenüber der Längsachse der Spindel 4 bzw. des gesamten Drehschrauberkopfes allseitig verkippbar.

Das untere Ende der Hülse 13 umschließt einen zylinderförmigen Permanentmagneten 14, in dessen Inneren ein elektroakustischer Schallwandler 15 angeordnet und festgelegt ist. Die elektrischen Anschlußdrähte 15a und 15b des Ultraschallwandlers 15 sind durch die Hohlachse 9 aus dem Drehschrauberkopf herausgeführt. Über die untere Stirnfläche des Ultraschallwandlers 15 werden Ultraschallwellen gesendet und empfangen, die in Form entsprechender elektrischer Signale über die Anschlüsse 15a und 15b zugeführt bzw. abgegeben werden. Die zugehörige Auswerteelektronik ist nicht dargestellt. Diese sowie geeignete Ultraschallwandler sind an sich bekannt und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung.

Die Schraubendruckfeder 11, eine weitere, schwächere Schraubendruckfeder 16, die im Inneren der Hülse 13 angeordnet ist und sich z. B. gegen den Querstift 12 abstützt, sofern die Schraube 8 aus ferromagnetischem Material besteht, zusätzlich der Permanentmagnet 14, sorgen für einen möglichst engen Kontakt zwischen der unteren Stirnfläche des Wandlers 15 und der Stirnfläche 7a des Schraubenkopfes 7. Da der Wandler 15 auch bei sich drehender Spindel 4 stillsteht, ist zwischen ihm und der Stirnfläche 7a eine dünne Platte 17 aus einem geeigneten Kunststoff vorgesehen, die über ein Radiallager 18 drehbar auf dem unteren Ende des Permanentmagneten 14 gelagert ist.

Der beschriebene Drehschrauberkopf arbeitet wie folgt: Beim Aufsetzen der Nuß am unteren Ende der Spindel 4 auf den Kopf 7 der Schraube 8 wird der Wandler 15 - in erster Linie gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 11 - unter gleichzeitiger entsprechender Verschiebung der Hohlachse 9 in die zeichnerisch dargestellte Lage zurückgeschoben. Während des Anziehens der Schraube 8 wird mittels des Wandlers 15 und der nicht dargestellten Auswerteelektronik fortlaufend die Länge der Schraube 8, genauer gesagt deren Längung infolge elastischer Verformung gemessen. Bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes gibt die Auswerteelektronik ein entsprechendes Signal ab oder/und setzt den Antrieb des Schrauberwerkzeuges still.

Während die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform mit stillstehendem Sensor 15 arbeitet, ist in Fig. 2 eine Ausführungsform wiedergegeben, bei der sich der Sensor mitdreht. Übereinstimmende Teile sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Nachfolgend werden daher lediglich die abweichenden Konstruktionsmerkmale beschrieben. Diese bestehen im wesentlichen aus einer Hohlachse, die abweichend von der Hohlachse 9 in Fig. 1 aus zwei drehfest miteinander verbundenen, jedoch teleskopisch gegeneinander verschieblichen Abschnitten 21 und 22 besteht. Der obere Abschnitt 21 ist mittels eines Querbolzens 23 drehfest mit der Spindel 4 verbunden. Der untere Abschnitt 22 der Hohlachse ist in dem oberen Abschnitt 21 drehfest, jedoch längsverschieblich geführt. Erreicht wird dies durch sich diametral gegenüberliegende Längsschlitze 21a am unteren Ende des oberen Abschnittes 21 und einen das obere Ende des unteren Abschnittes 22 durchquerenden Mitnehmerstift 24. Da sich somit der Wandler 15 mit der Hülse 4 und der Schraube 8 mitdreht, entfallen die bei der Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehenen Teile 17 und 18. Die zwischen dem unteren Ende des Wandlers 15 und dem Schraubenkopf 7 angedeutete Platte 25 kann aus elastischem Material bestehen und unter anderem zur Erzielung eines weitgehend reflexionsarmen Überganges zwischen der unteren Stirnfläche des Wandlers 15 und der oberen Stirnfläche 7a des Schraubenkopfes 7 dienen, außerdem als mechanischer Schutz für die Sende- und Empfangsfläche des Wandlers 15.

Die Anschlüsse 15a und 15b des Wandlers 15 können bei diesem Ausführungsbeispiel nicht unmittelbar aus dem Gehäuse 1 herausgeführt werden. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel ist statt dessen eine berührungslose Signalübertragung vorgesehen, die - im Unterschied zu Fig. 1 - die Verwendung ausschließlich von Wechselspannungs- oder Hochfrequenzsignalen erforderlich macht. Die berührungslose Signalübertragung erfolgt mittels eines Signalwandlers 26, der in einem auf den Deckel 10 aufgesetzten Kleingehäuse 27 angeordnet ist. Der Signalübertrager besteht aus einem drehfest mit dem oberen Abschnitt 21 der Hohlachse verbundenen Teil 26a und einem ortsfest mit dem Kleingehäuse 27 verbundenen Teil 26b. Die beiden Teile des Signalübertragers 26 sind über Wicklungen 28a und 28b transformatorisch miteinander gekoppelt. Die Anschlüsse der Wicklung 28b führen zu der wiederum nicht dargestellten Auswerteelektronik. Statt des dargestellten Signalübertragers 26 kann auch eine Schleifring/Schleifbürsten-Anordnung verwendet werden, die an sich bekannt ist und daher keiner näheren Erläuterung bedarf.

Die Funktion des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 entspricht völlig derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.


Anspruch[de]
  1. 1. Drehschrauberkopf mit einer Antriebswelle, die über ein Getriebe (6, 5) eine Spindel (4) antreibt, mit der ein Schraubwerkzeug (4a) drehfest verbunden ist, und mit einem Sensor, der über eine Auswerteelektronik das Erreichen eines vorgegebenen Parameters der Verschraubung anzeigt und/oder den Stillstand der Spindel (4) auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein elektroakustischer Ultraschallwandler (15) ist, daß der Wandler (15) innerhalb des Schraubwerkzeuges (4a) axial verschieblich angeordnet und in Richtung des Schraubenkopfes (7) federbelastet ist, und daß die Auswerteelektronik aus den Laufzeitunterschieden zwischen den von dem Wandler (15) gesendeten und den am Ende der Schraube (8) reflektierten und empfangenen Impulsen die Vorspannkraft der Schraube (8) errechnet und bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes ein Signal abgibt.
  2. 2. Drehmomentschrauberkopf nach Anspruch 1, für Schrauben aus ferromagnetischem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (15) innerhalb eines ringförmigen Magneten (14) angeordnet ist, dessen Anzugskraft den Wandler (15) gegen den Schraubenkopf (7) hält.
  3. 3. Drehschrauberkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (15) allseitig kippbar oder schwimmend gelagert und durch eine Feder (16) in Richtung des Schraubenkopfes (7) belastet ist.
  4. 4. Drehschrauberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (15) am unteren Ende einer innerhalb der Spindel (4) liegenden, axial verschieblichen, stillstehenden Hohlachse (9) angeordnet ist, und daß zwischen der Wandlerstirnfläche und dem Schraubenkopf (7) eine Gleitplatte (17) vorgesehen ist.
  5. 5. Drehschrauberkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleitplatte (17) und dem Wandler ein Wälzlager (18) angeordnet ist.
  6. 6. Drehschrauberkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlachse (9) drehfest, jedoch axial verschieblich in dem Gehäuse (1) des Drehschrauberkopfes geführt und durch eine Schraubenfeder (11) in Richtung des Schraubenkopfes (7) belastet ist, und daß die elektrischen Anschlüsse (15a, 15b) des Wandlers (15) über die Hohlachse (9) aus dem Drehschrauberkopf herausgeführt sind.
  7. 7. Drehschrauberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler am unteren Ende einer Hohlachse angeordnet ist, die aus zwei drehfest verbundenen, jedoch teleskopisch gegeneinander verschieblichen Abschnitten (21, 22) besteht, von denen der den Wandler (15) tragende Abschnitt (22) durch eine Schraubenfeder (11) in Richtung des Schraubenkopfes (7) belastet ist, während der andere Abschnitt (21) drehfest mit der Spindel (4) verbunden ist und den einen Teil (26a) eines Signalübertragers (21) trägt, mit dem die Anschlüsse (15a, 15b) des Wandlers (15) verbunden sind, und daß der andere Teil (26b) des Signalübertragers (26) mit den zu der Auswerteelektronik führenden Anschlüssen stillstehend an dem Gehäuse des Drehschrauberkopfes montiert ist.






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