DE69619634T2

DE69619634T2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Winkelmessung bei Drehmomentschlüsseln

Info

Publication number: DE69619634T2
Application number: DE69619634T
Authority: DE
Inventors: Angelo L. Tambini
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2016-10-26
Also published as: EP0779131B1; US5581042A; EP0779131A1; DE69619634D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Festziehen eines Drehmomentschlüssels und auf eine Messung von Winkeln, die bei einer Abfolge eines Festziehens eines Befestigungsglieds mit Gewinde gedreht werden, sowie insbesondere auf ein Verfahren zum Bestimmen des Winkels mit einer kontaktlosen Referenz.
In der US-A-4 211 120 arbeitet ein Potentiometer derart, daß es ein elektrisches Ausgangssignal liefert, das proportional zu der Rotationsverschiebung eines Antriebskopfes ist. Ein Kabel und eine Klammer sind an einem Werkstück angebracht, um einen festen Referenzpunkt zu bilden. In einer anderen Ausführungsform ist ein digitales Winkelmeßelement offenbart. Das digitale Meßelement weist eine Hochträgheitsscheibe als eine Referenz auf. Das feste Referenzarmsystem ist schwierig zu verwenden, erfordert externe Anschlüsse und erhöht sowohl die Größe als auch die Komplexität des Schlüsselkopfs. Eine Drift in der kontaktlosen Trägheitsscheibenreferenz hat die Möglichkeit von Genauigkeitsproblemen hervorgerufen und außerdem zu der Größe, der Komplexität und den Kosten des Schlüsselkopfs beigetragen. In jüngerer Zeit sind Winkelgeschwindigkeitssensoren verfügbar geworden, wie beispielweise diejenigen, die von der Ono-Sendai Corporation aus San Franzisko, Kalifornien, und der Murata Erie North American Inc. geliefert werden. Ein Anbringen eines dieser an dem Schlüssel und ein Integrieren des Signals ergibt ein Signal, das proportional zu dem von dem Schlüssel gedrehten Winkel ist. Die Sensoren haben jedoch Probleme mit einer Null-Drift, die Ungenauigkeiten in der Dauer eines typischen Festziehzyklus eines Befestigungsglieds verursachen.
Die GB-A-2 273 574, die als den nächstliegenden Stand der Technik darstellend angesehen wird, offenbart einen Ratschenschlüssel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3. Sie offenbart des weiteren ein Verfahren zum Festziehen eines Befestigungsglieds unter Verwendung eines hin- und hergehenden, in der Hand zu haltenden Ratschenschlüssels, mit den folgenden Schritten:
a) Verdrehen eines mit Gewinde versehenen Befestigungsglieds durch ratschenartige Bewegung des Schlüssels bis zu einem vorbestimmten, satt anliegenden Drehmoment, das ausreicht, um den Schlüssel zu stabilisieren;
b) Verdrehen des Schlüssels um eine vorbestimmte Anzahl von Graden, wie abgefühlt durch einen kontaktlosen Winkelgeschwindigkeitssensor, durch ratschenartige Verdrehung und Zusammenfassen der Winkelergebnisse;
c) Anhalten der Verdrehung nach dem Abfühlen der vorbestimmten positiven Anzahl von Graden, um die über das satt anliegende Drehmoment hinaus festgezogen wurde, als Mittel zum Festziehen des Befestigungsglieds.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zum Festziehen eines Befestigungsglieds unter Verwendung eines hin- und hergehenden, in der Hand zu haltenden Ratschenschlüssels, mit den Schritten:
a) Verdrehen eines mit Gewinde versehenen Befestigungsglieds durch ratschenartige Bewegung des Schlüssels bis zu einem vorbestimmten, satt anliegenden Drehmoment das ausreicht, um den Schlüssel zu stabilisieren;
b) Halten des Schlüssels gegen das satt anliegende Drehmoment, um die Stabilität bei einer Null-Verdrehung zu bestätigen;
c) Verdrehen des Schlüssels um eine vorbestimmte Anzahl von Graden, wie abgefühlt durch einen kontaktlosen Winkelgeschwindigkeits-Sensor, durch ratschenartige Verdrehung und Zusammenfassen der Winkelergebnisse; und
d) Anhalten der Verdrehung nach dem Abfühlen der vorbestimmten positiven Anzahl von Graden, um die über das satt anliegende Drehmoment hinaus festgezogen wurde, als Mittel zum Festziehen des Befestigungsglieds.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein hin- und hergehender, in der Hand zu haltender Ratschenschlüssel zum Anziehen von Befestigungsgliedern vorgesehen, mit einem Handgriff zum Verdrehen eines mit Gewinde versehenen Befestigungsglieds, mit einem Drehmomentwandler zum Messen der Drehmomentleistung des Schlüssels, mit einem kontaktlosen Winkelgeschwindigkeitssensor zum Abfühlen einer vorbestimmten Anzahl von Graden der Verdrehung des Schlüssels, mit einer Einrichtung zum Zusammenfassen der Winkelergebnisse, bis die vorbestimmte Anzahl von Graden der Verdrehung erreicht wurde, und mit einer Einrichtung zum Anhalten der Verdrehung nach dem Abfühlen der vorbestimmten positiven Summe von Festziehgraden, als Einrichtung zum Festziehen des Befestigungsglieds; gekennzeichnet durch eine Verzögerungseinrichtung, um es dem Schlüssel zu gestatten, gegen das satt anliegende Drehmoment gehalten zu werden, um die Stabilität bei einer Null-Verdrehung zu bestätigen, und durch eine Steuereinrichtung, die betriebsmäßig mit dem Schlüssel verbunden ist, um das Festziehen des Befestigungsgliedes zu überwachen und Bereitstellen eines Sattanlage-Indikators, der anzeigt, daß das Festziehen einer Verbindung begonnen hat, und um den Schlüssel stationär zu halten, wobei eine verzögerte Anzeige für die satte Anlage anzeigt, wenn das Festziehen durch Verdrehen des Schlüssels wieder gestartet werden kann, und mit einer Einrichtung zum Anzeigen des gesamten Festzieh-Verdrehungswinkels nach der satten Anlage.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese wirksam umgesetzt werden kann, wird jetzt beispielhaft Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Drehmomentschlüssels von oben ist;
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm eines vorgeschlagenen Schaltkreises ist, der in dem Drehmomentschlüssel enthalten ist; und
Fig. 3 ein Drehmoment-Winkel-Diagramm ist, das einen typischen Ratschenfestziehvorgang zeigt.
In jüngerer Zeit sind kleine Winkelgeschwindigkeitssensoren verfügbar geworden. Ein Befestigen eines von diesen auf den Schlüssel und ein Integrieren des Signals ergibt ein Signal, das proportional zu dem von dem Schlüssel gedrehten Winkel ist. Diese Sensoren haben Probleme mit einer Null-Drift, die auf lange Sicht Ungenauigkeiten bewirkt, aber überwunden werden kann, indem das Drehmomentsignal verwendet wird, um sowohl das Null-Geschwindigkeitssignal als auch einen Integrator zurückzusetzen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 hat ein Drehmomentschlüssel 1 einen Ratschenkopf 2, wobei ein Geschwindigkeitssensor 3 auf dem. Ratschenkopf oder an irgendeinem ähnlichen, geeigneten Platz auf dem Schlüssel angebracht ist, der sich während des Festziehens mit dem Schlüssel dreht.
Ein Rumpf 4 des Schlüssels enthält einen Schaltkreis zum Fühlen und Verarbeiten eines Drehmoments sowie Steuereinrichtungen und Anzeigevorrichtungen, die für einen Betrieb des Schlüssels erforderlich sind. Ein Rücksetzknopf 7 ist in der Nähe eines Handgriffs 6 für einen bequemen Betrieb angeordnet und ein Drehmomentwandler 8 ist vorgesehen, um die Drehmomentabgabe des Schlüssels zu messen.
Es wird jetzt auf Fig. 2 Bezug genommen, wonach der dargestellte Schaltkreis das Signal aus dem Geschwindigkeitssensor 15 (3 in Fig. 1) konditioniert und es in einer geeigneten Form für eine nachfolgende Verarbeitung an den Schlüssel übergibt. Der Geschwindigkeitssensor gibt kein Null-Signal für eine Null-Geschwindigkeit ab, sondern ein Signal von ungefähr 2,5 Volt, welches ebenfalls driftet. Wie in der US-A-4 211 120 beschrieben ist, sind die Signale für ein sattes Anliegen 11 und ein Zurücksetzen 16 der vorliegenden Vorrichtung von der Schlüsselelektronik gemäß der US-A-4 211 120 abgeleitet, und die Anzeigeeinrichtung 12 für ein sattes Anliegen existiert bereits. Der Rücksetzknopf 7 ist der Betriebsschalter, der die Schlüsselelektronik schaltet und zur gleichen Zeit die Null an der Drehmomentausgabe 1 7 setzt. Das satt anliegende Drehmoment ist der Drehmomentniveaupunkt, von dem aus die Winkelmessung durchzuführen ist.
Die Winkelsignale für jeden Abschnitt des Festziehens werden dann kombiniert oder zusammengefaßt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, indem die Schlüsselelektronik einen Wert eines Gesamtwinkels ausgibt, um den der Schlüssel während des Festziehvorgangs gedreht hat. Das Drehmoment-Ausgabewertfenster kann auch dazu verwendet werden, den von dem Befestigungsglied gedrehten Gesamtwinkel anzuzeigen, nachdem das satt anliegende Drehmoment erreicht worden ist.
Im Betrieb werden die folgenden Schritte vollzogen:
1. Der Bolzen wird nach unten gefahren, und bevor das tatsächliche Festziehen begonnen wird, wird der Schlüssel lose gehalten, wobei kein Drehmoment aufgebracht wird, während der Rücksetzknopf 7 gedrückt wird. Dieses schaltet die Schlüsselelektronik und der Führungs- und Halteschaltkreis 30 wird gesetzt, um es dem Geschwindigkeitsreferenzsignal zu gestatten, dem Geschwindigkeitssignal zu folgen. Der Integrator wird bei Null gehalten.
2. Das Festziehen wird fortgesetzt bis der Punkt des satten Anliegens erreicht ist. Dieses wird an dem Schlüssel angezeigt, und die Bedienungsperson muß dann anhalten und den Schlüssel so stationär wie möglich auf dem Verbindungselement bei dem aufgebrachten, satt anliegenden Drehmoment halten, bis die verzögerte Sattanlage 13 angezeigt wird, wie es durch die Verzögerungsvorrichtung 10 festgelegt ist. An diesem Punkt schaltet das Flip-Flop 20 zum Setzen und Rücksetzen, um das Geschwindigkeitsreferenzsignal zu isolieren und es auf diesem bestimmten Niveau aufrecht zu erhalten, und der Integrator 40 wird aktiviert, so daß alle zukünftigen Veränderungen in dem Geschwindigkeitssignal integriert werden. Der Differentialverstärker 50 stellt dann das Niveau dieses Signals ein, um es kompatibel mit der Schlüsselelektronik zu machen. Dieser Schritt verarbeitet das Signal und gibt an, wenn der erforderliche Winkel erreicht worden ist. Falls dieses nicht der Fall ist, muß der Schlüssel ratschenartig bewegt werden, um den Gesamtwinkel zu erzielen.
3. Während der ratschenartigen Bewegung wird das Drehmoment verringert, bevor der Schlüssel in der umgekehrten Richtung bewegt wird. Sobald das Drehmoment unterhalb eine Sattanlage reduziert wird, wird der Integrator bei Null gehalten, da die Schlüsselbewegungen jetzt nicht zu dem Festziehen des Bolzens beitragen.
Wenn der Schlüssel in der Festziehrichtung vorwärts bewegt wird und das tatsächliche Festziehen erneut gestartet wird, muß die gleiche Abfolge von Aktionen von der Bedienungsperson ausgeführt werden, wie sie während der ersten Phase durchgeführt wurden. Wenn eine Sattanlage von dem Sattanlage-Indikator 12 angezeigt wird, muß der Schlüssel still gehalten werden, bis die verzögerte Sattanlage-Anzeige 13 ausgegeben wird, bevor das Festziehen erneut gestartet wird und der Schlüssel um eine ausgewählte Anzahl von Graden gedreht wird. Für eine bequeme Betriebsweise kann der Schlüssel ratschenartig rückwärts und vorwärts bewegt werden, wobei nur die Grade der Vorwärtsdrehung gezählt werden, um die Festziehabfolge zu vervollständigen. Für eine optimale Genauigkeit muß der Schlüssel jedoch vor einer Wiederholung der ratschenartigen Bewegungen stillgehalten werden.
In vielen Fällen können ausreichende Winkelwerte durch eine Null-Einstellung nur für die erste ratschenartige Bewegung erreicht werden. Die für einen ratschenartigen Betrieb erzielten Ergebnisse können für jeden Abschnitt zusammengefaßt werden, wie es im allgemeinen in US-A-4 211 120 beschrieben ist und für die hier beschriebene Winkelabfolge in Fig. 3 abgebildet ist.
4. Der Differentialverstärker 60, die Bewegungsanzeigeeinrichtung 14 und das Winkelsignal 17 sind als Hilfen für die Bedienungsperson enthalten. Die Bewegungsanzeigeeinrichtung 14 ermöglicht es der Bedienungsperson, zu überprüfen, daß der Schlüssel tatsächlich stationär ist, wenn der verzögerte Sattanlage-Indikator 13 einsetzt. Die Bewegungsanzeigeeinrichtung 14 muß ausgeschaltet sein, bevor der Festziehvorgang erneut gestartet wird. Das Winkelsignal 17 zeigt die Vollendung des Festziehzyklusses an.
Fig. 3 zeigt den anfänglichen Ablauf der Festziehabfolge bis zu einem satt anliegenden Drehmoment am Punkt A, an dem die Stabilhalteverzögerung stattfindet. Eine erste ratschenartige Abfolge ist am Punkt BC dargestellt und eine zweite am Punkt DE, gefolgt voll einer Vervollständigung der Abfolge bei einem Erreichen des gewünschten Gesamtwinkels der Drehung nach dem Sattanlage-Punkt.

Claims

1. Verfahren zum Festziehen eines Befestigungsglieds unter Verwendung eines hin- und hergehenden, in der Hand zu haltenden Ratschenschlüssels, mit den Schritten

(a) Verdrehen eines mit Gewinde versehenen Befestigungsglieds durch ratschenartige Bewegung des Schlüssels bis zu einem vorbestimmten, satt anliegenden Drehmoment, das ausreicht, um den Schlüssel zu stabilisieren;

(b) Halten des Schlüssels gegen das satt anliegende Drehmoment, um die Stabilität bei einer Null-Verdrehung zu bestätigen;

(c) Verdrehen des Schlüssels um eine vorbestimmte Anzahl von Graden, wie abgefühlt durch einen kontaktlosen Winkelgeschwindigkeits-Sensor, durch ratschenartige Verdrehung nach dem Erzielen des satt anliegenden Drehmoments und Zusammenfassen der Winkelergebnisse, bis der Schritt (d) erreicht wird; und

(d) Anhalten der Verdrehung nach dem Abfühlen der vorbestimmten positiven Anzahl von Graden, um die über das satt anliegende Drehmoment hinaus festgezogen wurde, als Mittel zum Festziehen des Befestigungsglieds.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit den zusätzlichen Schritten: Abfühlen der Verdrehung sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn und algebraisches Summieren der abgefühlten Verdrehung, bis die Verdrehung nach dem Abfühlen der vorbestimmten Anzahl von Graden angehalten wird, um die über das satt anliegende Drehmoment hinaus festgezogen wurde.

3. Hin- und hergehender, in der Hand zu haltender Ratschenschlüssel zum Anziehen von Befestigungsgliedern mit einem Handgriff (6) zum Verdrehen eines mit Gewinde versehenen Befestigungsglieds, mit einem Drehmomentwandler (8) zum Messen der Drehmomentleistung des Schlüssels, mit einem kontaktlosen Winkelgeschwindigkeitssensor (3) zum Abfühlen einer vorbestimmten Anzahl von Graden der Verdrehung des Schlüssels, mit einer Einrichtung zum Zusammenfassen der Winkelergebnisse, bis die vorbestimmte Anzahl von Graden der Verdrehung erreicht wurde, und mit einer Einrichtung zum Anhalten der Verdrehung nach dem Abfühlen der vorbestimmten positiven Summe von Festziehgraden, als Einrichtung zum Festziehen des Befestigungsglieds; gekennzeichnet durch eine Verzögerungseinrichtung (10), um es dem Schlüssel zu gestatten, gegen das satt anliegende Drehmoment gehalten zu werden, um die Stabilität bei einer Null-Verdrehung zu bestätigen, und durch eine Steuereinrichtung, die betriebsmäßig mit dem Schlüssel verbunden ist, um das Festziehen des Befestigungsgliedes zu überwachen und Bereitstellen eines Sattanlage-Indikators (12), der anzeigt, daß das Festziehen einer Verbindung begonnen hat, und um den Schlüssel stationär zu halten, wobei eine verzögerte Anzeige für die satte Anlage (13) anzeigt, wenn das Festziehen durch Verdrehen des Schlüssels wieder gestartet werden kann, und mit einer Einrichtung zum Anzeigen (17) des gesamten Festzieh-Verdrehungswinkels nach der satten Anlage.

4. Hin- und hergehender, in der Hand zu haltender Ratschenschlüssel (1) gemäß Anspruch 3, der ferner eine Einrichtung zum Abfühlen einer Verdrehung sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn aufweist, mit einer Einrichtung zum algebraischen Summieren der abgefühlten Verdrehung, bis eine vorbestimmte Anzahl von Graden des Festziehens erreicht worden ist.

5. Hin- und hergehender, in der Hand zu haltender Ratschenschlüssel (1) gemäß Anspruch 4, bei dem die Einrichtung zum Anzeigen (17) des gesamten Festzieh-Verdrehwinkels nach der satten Anlage eine Einrichtung für ein hörbares Anhaltesignal aufweist.