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Dokumentenidentifikation DE10242965A1 18.03.2004
Titel Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen mittels interferometrischer Meßanordnung
Anmelder Baron, Wolfgang, 71522 Backnang, DE
Erfinder Baron, Wolfgang, 71522 Backnang, DE
DE-Anmeldedatum 17.09.2002
DE-Aktenzeichen 10242965
Offenlegungstag 18.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.2004
IPC-Hauptklasse B25B 23/14
IPC-Nebenklasse G01L 5/24   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 5, als Messschraubbaugruppe, zum Messen der Vorspannkraft, welche an oder zwischen einer aus Komponenten, wie Antriebsmotor 1, Umschaltgetriebe 2 und Abrieb 3 bestehenden Schraubspindel 12, installierbar ist, in diesem Beispiel an der in Abtrieb 3 integrierten Abtriebswelle 4. Hierbei werden die während eines Endanzugs einer Schraubverbindung 7, 8 auftretenden konkaven Verformungen des Schraubenkopfes von Schraube 6 einhergehend, mit der Längung des Schraubenschaftes interferometrisch linear vermessen. Das heißt, mittels Laser 14 wird der daraus emittierte Laserstrahl 14' in Abhängigkeit eines Strahlteilers 18 aufgespalten, wobei dieser über die Messstrecke auf einen mit Taster 22 versehenen Messspiegel 21 trifft, während der andere über eine Referenzstrecke mit Hilfe des Referenzspiegels 17 an den Detektor 19 weitergeleitet wird. Somit können die im Endanzugsprozess erzeugten Messsignale, bis hin im Nanometerbereich, in Verbindung mit Messkabel 9 an die Schraubersteuerung 11 weitergeleitet werden, wobei durch Erreichen des gewünschten Endanzugsmomentes der Antriebsmotor 1 in Abhängigkeit von Steuerkabel 10 abgeschaltet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Messung der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Gattung des Hauptanspruchs. Zu den gebräuchlichsten Methoden des vorspannkraftgesteuerten Anziehens von Schraubverbindungen gehört die Ultraschallmessung. Davon sind im wesentlichen zwei Varfanten, die manuell durchzuführende und die automatisierbare Verfahrensweise, bekannt. Bei der nicht automatisierungswürdigen Varfante wird ein Ultraschallprüfkopf mit Koppelmedium, welches Gel oder eine Paste sein kann, manuell auf den Kopf einer zu verarbeitenden Schraube aufgebracht. Bei dem automatisierungsfähigen Verfahren, welches in der Serienproduktion verwendbar ist, müssen die zu verarbeitenden Schrauben mit Hilfe eines kopfseitig aufzudampfenden, dreischichtigen Ultraschallsensors versehen werden, gemäß dem U.S.-Patent, Nr. 5. 220.839. Beide Konzeptionen unterliegen den physikalischen Eigenschaften der Echoimpulsmessung, wobei Ultraschallwellen vom Schraubenkopf einer im Endanzug befindlichen Schraube ausgestrahlt bzw. erzeugt werden, den Schraubenschaft durchlaufen, am Schaftende reflektiert werden und schließlich an der Ultraschallausgangsquelle auf den Schraubenkopf wieder empfangen und signalgebend weiterleitbar sind.

Da sich während des Verschraubungsendanzugs die Schraube dehnt vergrößern sich auch die Laufzeiten der Echosignale und werden, in Verbindung einer Schraubersteuerung, ein Maß für die erzeugte Vorspannkraft. Beide Anwendungsarten sind jedoch in der Massengüterproduktion, wie beispielsweise auch in der Automobilindustrie aus Leistungs- und Kostengründen, nicht oder nur sehr begrenzt einsatzfähig, weil einerseits die auf dem Markt erhältlichen Ultraschallprüfköpfe in automatisch kurztaktend ablaufende Schraubprozesse zu unter anderem Kopplungsstörungen führen würden und andererseits die kopfseitig mit Ultraschallsensoren modifizierten Schrauben derart teuer sind, dass der Kostenfaktor Schraube im Endeffekt die sie verbindenden Erzeugnisse erheblich verteuern würde, wodurch diese Art des vorspannkraftgesteuerten Schraubverfahrens nur in äußerst geringen Spezialfällen durchführbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den großen Vorteil, dass eine Modifizierung von Schrauben durch kopfseitiges Aufbringen von Ultraschallsensoren, welche nicht nur die Kosten pro Schraube extrem ansteigen ließen, entfallen. Zwangsläufig ist somit auch die Gefahr einer Beschädigung der Ultraschallsensoren, wie sie bei Umfüll- und Beschickungsvorgängen an Produktionsanlagen häufig vorkämen und zu wesentlichen Störungen führen würden, ausgeschaltet. Des weiteren ist von Bedeutung, dass Schrauben mit unterschiedlichen Schraubenkopfformen und kleinere Schrauben verwendbar sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Einrichtung als Baugruppe an bzw. in einer Schraubspindel installierbar ist, so dass gemeinsam mit den übrigen dazugehörigen Baugruppen, wie Antriebsmotor mit Umschaltgetriebe und Spindelabtrieb ein platzsparender, komponentenartiger Aufbau einer Schraubspindel nach dem Baukastenprinzip gestalteter Einzelmodule gewährleistet ist, wodurch eine serienmäßige sehr kostengünstige, leistungsklassifizierbare Anwendung derartiger Schraubsysteme, vor allem in der Massengüterproduktion, möglich wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung in Abhängigkeit des Verfahrens zum Anziehen von Schraubverbindungen möglich.

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es Zeigen!

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen,

2 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schraubmessbaugruppe,

3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Stadium des Vor- und Endanzugs, im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In 1 ist eine mit 12 bezeichnete Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen als Schraubspindel schematisch dargestellt. Die Schraubspindel 12 weist einen Antriebsmotor 1 auf an welchem endseitig ein mechanisches Umschaltgetriebe 2 und an diesem ein Abtrieb 3 gekoppelt ist. Mittels Antriebsmotor 1 ist die Schraubspindel 12 um ihre Längsachse drehend antreibbar, wodurch mit der an Abtriebswelle 4 installierte erfindungsgemäße Schraubmessbaugruppe 5, der Endanzugsprozess der Schraube 6 in Abhängigkeit von Deckel 7 und Produktgehäuse 8 durchführbar ist. Hierfür werden Lasermessimpulse in Verbindung von Messkabel 9 an eine Schraubersteuerung 11 zur Auswertung weitergeleitet, wodurch mittels Steuerkabel 10 der Antriebsmotor 1 an Schraubspindel 12 solange aktiv bleibt bis der, in der nicht näher bezeichneten Schraubersteuerung 11 justierte Endanzugswert erreicht ist.

Die in 2 näher dargestellte Schraubmessbaugruppe 5 ist mit Hilfe der benannten Schraubersteuerung 11 in der Lage den Antriebsmotor 1 von Schraubspindel 12 (1) zu- oder abzuschalten, wobei die als Maß für den jeweils vorliegenden Verschraubungsendzustand dienenden Messwerte mittels eines interferierten Laserstrahls erfasst werden.

Hierbei wird die Deformationsfähigkeit der Schraube 6 in Abhängigkeit der Schraubverbindung genutzt, welche durch erhebliche Kräfte der Vorspannkraft erzeugt werden. Das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 ist eine Kombination zwischen einer Lasermessbaugruppe 5 und einem herkömmlichen Schraubwerkzeug 25. Hierbei ist in Baugruppengehäuse 13 ein Laser 14, von dem ein Laserstrahl 14' ausgesendet wird installiert, welcher mit einer nicht näher bezeichneten elektrischen Verbindung einer Schleifringabnahme 15 verbunden ist. Gleichzeitig ist endseitig von Laser 14, in Baugruppengehäuse 13 ein Referenzmessmodul 16, bestehend aus: Referenzspiegel 17, Strahlteiler 18 und Detektor 19 installiert, wobei der Detektor 19 mit einer nicht näher bezeichneten elektrischen Verbindung der Schleifringabnahme 15 verbunden ist. Das darunter stirnseitig montierte Messspiegeltastermodul 20, bestehend aus: Messspiegel 21 und Taster 22 wird durch eine Scheibe 23 unterteilt, welche gleichzeitig zur Kraftaufnahme des durch Druckfeder 24 beaufschlagten Tasters 22 dient. Der unterhalb des Messspiegeltastermoduls 20, in Baugruppengehäuse 13 installierte Ring, dient als Schraubwerkzeug 25, wodurch die Schraubendrehung der Schraube 6 an Deckel 7 in Verbindung eines jeweiligen Produktgehäuses 8 herstellbar ist. Die im Baugruppengehäuse 13 integrierte Abtriebswellenaufnahme 26 dient zur Installation der Lasermessbaugruppe 5 an Abtriebswelle 4 und zur Übertragung von Drehimpulsen durch Schraubspindel 12 (1).

In 3 wird unter „Voranzug" eine interferometrische Messanordnung in Grundposition und unter den Bedingungen des „Endanzugs" eine Rautiefenquetschung zwischen Schraube 6 und Deckel 7 mit einer konkaven Verformung der Schraubenkopfoberfläche schematisch dargestellt. Des weiteren wird dargestellt, wie in einem Interferometer (nach A. A. Michelson) zwei kohärente Lichtstrahlen auf zwei unterschiedliche Wege geschickt werden- einer durch die Messstrecke und einer auf die unbeeinflusste Referenzstrecke. Dabei werden mittels eines Lasers 14 ein Lasermessstrahl 14' emittiert, welcher zur Aufspaltung einen glasartigen Strahlteiler 18 durchläuft. Der daraus resultierende Referenzstrahl 14" trifft auf einen relativ zum Strahlteiler 18 fest installierten Referenzspiegel 17, während der Lasermessstrahl 14' auf den Messspiegel 21 des mit ihm verbundenen Tasters 22, welcher die im Endanzug zu vermessenden Schraube 6 kontaktiert, fällt. Die zurückreflektierten Strahlen werden am Strahlenteiler 18 abermals geteilt, wobei jeweils die Hälfte eines jeden Strahls auf dem Detektor 19 gelangt und von dort zur Auswertung an die Schraubersteuerung 11 weitergeleitet wird. Hierbei sind Längenänderungen bis zu 300 Nanometer oder durch technische Maßnahmen um das 10-fache kleiner, messbar.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen mit einer endseitig eine Befestigungsvorrichtung für eine Schraubmessbaugruppe tragende Abtriebskomponente einer Schraubspindel, einem wenigstens zweistufig umschaltbaren Antriebsmotor, der zum Voranziehen der Schraubverbindung und zum Erzielen eines gewünschten Verschraubungsendzustands unterteilbar ist, einer modular ausgebildeten Schraubmessbaugruppe, gemäß des Hauptanspruchs, zum Senden und Erfassen einer, als Maß für den jeweils vorliegenden Verschraubungszustand dienenden Messgröße, welche als messtechnisch wirksame Lasermessbaugruppe in Verbindung einer elektronischen Schraubersteuerung steht und zum Erzeugen von Schaltsignalen für den Antriebsmotor in Abhängigkeit des Verschraubungsendzustands dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubspindel 12 mindestens vierteilig ausgebildet ist, wobei die entsprechende Schraubmessbaugruppe 5 als eigenständig wirksame, modulare Komponente ausgebildet ist, welche unter anderem endseitig eines Spindelabtriebs 3 tragenden Abtriebswelle 4 installierbar ist und durch Antriebsmotor 1 mittels Umschaltgetriebe 2 angetrieben wird.
  2. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwirkung der Schraubmessbaugruppe 5, in Abhängigkeit des Einschraubzustandes, mit Hilfe von Schraubersteuerung 11 zu- oder abschaltbar ist.
  3. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkomponenten 16,20 der Schraubmessbaugruppe 5 als separat verwendbare kompakte Baugruppe zwischen den Komponenten von Schraubspindel 12 bzw. oberhalb, stirnseitig des Antriebsmotors 1 oder außerhalb von Schraubspindel 12, installierbar ist.
  4. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1,2,3 dadurch gekennzeichnet, dass, das in der Schraubmessbaugruppe 5 installierte Schraubwerkzeug 25 auswechselbar ist, wodurch auch Schraubwerkzeuge mit anderen Schlüsselweiten und Kopfformen verwendbar sind.
  5. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1,2,3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anwendung nicht näher bezeichneter, weiterer technischer Maßnahmen, wie unter anderem mittels zusätzlicher Laserfokuszierung, die Messgenauigkeit um das Zehnfache erhöhbar ist.
  6. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1,2,3,5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Nutzung des interferometrischen Messverfahrens die Erfassung von optischen Gitterstrukturen und/oder digital auswertbaren Signalen an vorspannkraftgemäß angezogenen Schrauben bezüglich der Kopfeindellung auch nach längerer Zeit noch nachmessbar und somit überprüfbar sind.
  7. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasermesskomponenten 16,20 als interferometergemäß wirkendes Längenmesssystems in Kombination des dazugehörigen Schraubwerkzeugs 25 innerhalb von Baugruppengehäuse 13 installiert ist.
  8. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser 14 gegenüber der Schraubverbindung oberhalb, stirnseitig im Baugruppengehäuse 13 integriert ist, während der Messspiegel 21 in Verbindung von Taster 22 auf den Kopf von Schraube 6 aufliegt.
  9. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1,8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser 14 im Taster 21 integriert ist, während dieser auf dem Kopf von Schraube 6 aufliegt, wobei der Messspiegel 21 oberhalb, stirnseitig im Baugruppengehäuse 13 befestigt ist.
  10. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswechselbarkeit des in der Schraubmessbaugruppe 5 installierten Schraubwerkzeugs 25 auch Schraubwerkzeuge mit anderen Antriebsmerkmalen wie, Innensechskant, Pozidriv, oder Torx ect. verwendbar sind, wobei der Taster 22 den Verhältnissen entsprechend anzupassen ist.
  11. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch1,5,6, dadurch gekennzeichnet, dass Schraube 6 während des Verschraubungsendanzugs hinsichtlich zunehmender Vorspannkraft deformierte Zonen hinterlässt, welche zwischen der Schraubenkopfunterfläche und dem Deckel 7 als Rautiefenquetschung bzw. stirnseitig des Kopfes als Eindellung 28 entstehen und interferometrisch messbar sind.
  12. Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1,5,6,11, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geringfügige Minimierung der Schraubenkopfhöhe eine noch deutlichere Darstellung einer zentrischen Eindellung des Schraubenkopfes und somit ihre Messbarkeit möglich ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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