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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines
Schraubwerkzeugs, das intermittierend drehende Hübe ausführt
und einen Drehmomentsensor und einen Drehwinkelsensor aufweist.
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Es ist bekannt, zum Festziehen von Schrauben hydraulische
Kraftschrauber zu verwenden, die eine Kolbenzylindereinheit
aufweisen, welche einen Ratschenhebel hin- und hergehend
antreibt. Der Ratschenhebel treibt ein Ringelement, welches über
eine Schlüsselnuss mit der zu drehenden Schraube gekoppelt
wird. Durch die drehenden Hübe des Ratschenhebels in der einen
Richtung wird die Schraube festgezogen, während der Rückhub des
Ratschenhebels leer erfolgt.
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Bei Schrauben, die mit Kraftschraubern angezogen werden, muss
häufig eine vorgegebene Vorspannung genau eingehalten werden,
damit die Schraube einerseits den zugehörigen Bolzen in
definierter Weise spannt, andererseits aber den Bolzen auch nicht
überspannt. Zur Erzielung einer definierten Spannung reicht es
nicht aus, bei einem hydraulischen Kraftschrauber den
Hydraulikdruck zu messen und den Schraubvorgang zu beenden, wenn der
Hydraulikdruck einen Grenzwert erreicht. Beim Festziehen von
Schrauben können unvermutete Hindernisse auftauchen, wie
beispielsweise Verhakungen oder Verkantungen, die durch
Fehlstellen im Gewinde oder durch Rost hervorgerufen werden. Der
Schraubwiderstand ist ein geeignetes Maß zur Erzielung
definierter Schraubbedingungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur
Steuerung eines Schraubwerkzeugs anzugeben mit dem ein hohes
Maß an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Schraubvorganges
erreicht wird, so dass die mit diesem Verfahren durchgeführten
Schraubvorgänge die Sicherheit des ordnungsgemäßen Festziehens
der Schraube bieten.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im
Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach wird die
Verschraubung mit den folgenden Schritten durchgeführt:
- - Durchführung drehender Hübe unter Messung des Drehmoments
in einem Drehmomentmodus,
- - bei Erreichen eines vorgegebenen Fügemoments: Durchführung
eines Drehwinkelmodus durch Hochzählen des Drehwinkels bis
zum Ende des laufenden Hubes und Speicherung der am
Hubende erreichten Werte von Drehwinkel und Drehmoment,
- - bei jedem nachfolgenden Hub: Fortsetzung des Hochzählens
des Drehwinkels dann, wenn das Drehmoment einen Wert erreicht,
der dem Drehmoment am Ende des vorhergehenden Hubs
entspricht, und Speicherung der am Hubende erreichten
Werte von Drehwinkel und Drehmoment,
- - Beenden des Schraubvorganges, wenn der hochgezählte
Drehwinkel einen Zielwinkel erreicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein
Drehmomentmodus durchgeführt, bei dem die Schraube bis zu einem
Fügemoment festgezogen wird. Das zuvor festgelegte Fügemoment wird
so bemessen, dass die zu verbindenden Teile einen gewissen Halt
haben, so dass die Schraubverbindung bei Erreichen des
Fügemoments bereits grundsätzlich gesichert ist. Bei Erreichen des
Fügemoments wird in den Drehwinkelmodus übergegangen, bei dem
ein bestimmter vorgegebener Drehwinkel, der als Zielwinkel
bezeichnet wird, überstrichen wird. Das Überstreichen des
Drehwinkels erfolgt unter Hochzählung von Inkrementen des
Drehwinkels, die von einem Drehwinkelsensor geliefert werden.
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Zur Erreichung des Zielwinkels sind mehrere Hübe des
Schraubwerkzeugs erforderlich. Bei jedem Hub werden Drehmoment und
Drehwinkel erhöht und bei dem anschließenden Rückhub geht das
Drehmoment auf Null zurück. Bei dem nachfolgenden Hub erhöht
sich das Drehmoment sehr schnell. Erfindungsgemäß erfolgt das
Weiterzählen des Drehwinkels erst dann, wenn bei einem
nachfolgenden Hub dasselbe Drehmoment erreicht wurde, bei dem der
vorhergehende Hub beendet wurde. Dieses Drehmoment am Ende eines
Hubes wird in einem Speicher gespeichert, ebenso wie der bis zu
diesem Zeitpunkt akkumulierte Drehwinkel.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine sichere
Steuerung des Schraubvorganges. Dabei wird davon ausgegangen, dass
das Fügemoment im Drehmomentmodus reproduzierbar und mit hoher
Genauigkeit bestimmt werden kann. Vom Erreichen des Fügemoments
an wird in den Drehwinkelmodus übergegangen, bei dem eine
Winkelmessung bis zum Erreichen des Zielwinkels durchgeführt wird.
Die Beendigung des Schraubvorgangs erfolgt also nur in
Abhängigkeit von dem Drehwinkel, der nach dem Erreichen des
Fügemoments überstrichen wurde.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist
vorgesehen, dass der Drehwinkelmodus nur dann begonnen wird, wenn
das Fügemoment aus der Bewegung heraus erreicht wird. Wenn das
Fügemoment beispielsweise am Ende eines Hubes erreicht wird
während der Drehvorgang ganz oder annähernd zum Stillstand
gekommen ist, ergeben sich keine definierten Reibungsverhältnisse
an der Schraubverbindung. Es kann auch der Fall eintreten, dass
durch vorrübergehendes Haken oder Blockierung das Drehmoment
über den Wert des Fügemoments ansteigt, so dass für den Beginn
des Drehwinkelmodus ein zufallsbedingter Zustand angenommen
würde. Um dies zu vermeiden, wird das Erreichen des Fügemoments
nur dann angenommen, wenn der Schraubvorgang in einen linearen
Bereich erfolgt, und zwar in einem gewissen Abstand vom
Hubende.
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Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in dem Fall, dass nach Erreichen des Fügemoments während
eines Hubes das Hochzählen unter einem vorgegebenen Grenzwert
bleibt, das Erreichen des Fügemoments nicht verwertet und die
Verwertung auf den nächsten Hub verschoben. Diese Bedingung
entspricht dem Fall, dass das Fügemoment am Ende eines Hubes
erreicht wird. In diesem Fall bleibt der Drehmomentmodus
erhalten und es wird nach dem nächsten Rückhub ein neuer Hub im
Drehmomentmodus durchgeführt, bei dem dann das Fügemoment noch
einmal erreicht wird. Dieses zweite Erreichen des Fügemoments
wird ausgewertet, um den Nullpunkt der Winkelzählung zu bilden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auch, den
Differentialquotienten der Abhängigkeit zwischen Drehmoment und
Drehwinkel zu ermitteln und zu verwerten.
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Bei einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens wird dieser
Differentialquotient schon vor Erreichen des Fügemoments
ermittelt und gespeichert. Anhand des jeweils gemessenen Drehmoments
und des gespeicherten Differentialquotient wird vorherbestimmt,
ob das Fügemoment am Hubende erreicht wird. Das Drehmoment gibt
den Ist-Zustand an und der Differentialquotient ermöglicht eine
Hochrechnung, so dass vorherbestimmt werden kann, ob das
Fügemoment am Hubende erreicht wird. Ist dies der Fall, dann wird
bereits vor dem Erreichen des Hubendes der Hub beendet, so dass
das Erreichen des Fügemoments auf den nächstfolgenden Hub
verschoben wird.
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Der Differentialquotient der Abhängigkeit zwischen Drehmoment
und Drehwinkel kann auch für die Kontrolle des Drehwinkelmodus
benutzt werden, wobei der Schraubvorgang verworfen wird, wenn
während des Hochzählens des Drehwinkels eine außerhalb eines
Toleranzbereichs liegende Abweichung von dem gespeicherten Wert
festgestellt wird. Auf diese Weise können Anomalien
festgestellt werden, beispielsweise das Blockieren einer Schraube
oder ein viel zu hoher Schraubwiderstand. Ein solcher Zustand
tritt auf, wenn das Schraubwerkzeug an eine Schraube angesetzt
wird, die bereits festgezogen ist. Auch Schrauben, die nach
Erreichen des Fügemoments zu leichtgängig sind, können
festgestellt und ausgesondert werden.
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In einem Winkelbereich vor Erreichen des Zielwinkels wird
zweckmäßigerweise ein engerer besonderer Toleranzbereich
definiert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Zielwinkel
nur mit einem Differentialquotienten angefahren wird, der nahe
dem gespeicherten vorbestimmten Differentialquotienten liegt.
Es wird verhindert, dass der Zielwinkel mit einem Ruck erreicht
wird. Liegt der Differentialquotient außerhalb des besonderen
Toleranzbereichs, wird der Schraubvorgang verworfen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Zeitdauer der
einzelnen Hübe zu messen und den Schraubvorgang bei zu großer
Zeitdauer zu verwerfen. Damit werden solche Schraubverbindungen
ausgeschlossen, bei denen Irregularitäten vorhanden sind.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen
Kraftschraubers mit Drehmomentsensor und
Drehwinkelsensor,
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Fig. 2 einen schematischen Schnitt entlang der Linie II/II
von Fig. 1,
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Fig. 3 ein Diagramm des Drehmoments über dem Drehwinkel bei
einem Schraubvorgang und
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Fig. 4 eine Darstellung der Ermittlung des
Differentialquotienten des linearen Astes eines Hubes.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein hydraulischer Kraftschrauber
dargestellt. Dieser weist einen Antriebsteil 10 und einen
Funktionsteil 11 auf. Der Antriebsteil enthält einen hydraulischen
Zylinder, in dem ein Kolben 12 verschiebbar geführt ist. Der
Antrieb des Kolbens 12 erfolgt in der Vorschubrichtung (gem. Fig.
1 nach links) und in der Rückzugsrichtung (nach rechts) jeweils
hydraulisch. Eine schwenkbare Anschlussvorrichtung 13 hat einen
Druckanschluss und einen Rücklaufanschluss.
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Der Funktionsteil 11 weist ein Gehäuse 14 auf, in dem sich ein
Ratschenhebel 15 bewegt. Der Ratschenhebel 15 ist mit dem
Kolben 12 über eine Kolbenstange 16 verbunden. In einer
Querbohrung des Gehäuses 14 ist eine Welle 17 drehbar gelagert. Die
Welle 17 weist im Innern des Gehäuses 14 eine umlaufende
Verzahnung 18 auf, in die eine (nicht dargestellt) Verzahnung des
Ratschenhebels 15 eingreift. Bei jedem Hub des Kolbens 12 wird
die Welle 17 um einen bestimmten Winkelbetrag um ihre Achse
gedreht. Danach erfolgt der Rückhub des Ratschenhebels 15, bei
dem die Welle 17 nicht mitgenommen wird.
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Die Welle 17 weist an einem Ende eine Mitnahmevorrichtung in
Form einer Einsteckausnehmung 21 von sechseckigem Querschnitt
auf. In einem Hohlraum 22 der Welle 17 befindet sich ein
Torsionssensor 23 in Form von den Messstreifen, die auf die
Umfangswand aufgeklebt sind. Der den Torsionssensor 23 tragende
Bereich der Welle 17 bildet den Messabschnitt 25.
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An dem rückwärtigen Ende der Welle 17 ist ein
Datenübertragungselement 28 vorgesehen. Von dem Torsionssensor 23 erstreckt
sich ein Kabelkanal 29 zu dem Datenübertragungselement 28. Das
Datenübertragungselement 28 ist beispielsweise eine
Schleifringanordnung, welche ein externes Kabel 30 mit dem
Torsionssensor 23, der mit der Welle 17 drehbar ist, verbindet. Alternativ
kann die Übertragung auch drahtlos erfolgen. Das Kabel 30
führt zu einem Kabelanschluss 31 (Fig. 1), der an dem Gehäuse
14 vorgesehen ist und an den ein Steuergerät angeschlossen
werden kann.
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Der hydraulische Kraftschrauber ist ferner mit einer
Drehwinkel-Messvorrichtung 33 ausgestattet. Diese weist eine Code-
Scheibe 34 auf, welche an der Welle 17 befestigt ist, und einen
Winkelsensor 35, der auf die Striche der Code-Scheibe 34
reagiert und dadurch Drehwinkelimpulse erzeugt. Der Winkelsensor
35 besteht aus einer Gabel-Lichtschranke, in die die radial von
der Welle 17 abstehende Code-Scheibe hineinragt. Von dem
Winkelsensor 25 führt ein Kabel 38 zu dem Kabelanschluss 31, so
dass sowohl der Torsionssensor 23 als auch der Winkelsensor 35
an dem Kabelanschluss 31 elektrisch zugänglich ist.
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Die Signale des Drehmomentsensors 23 und des Drehwinkelsensors
33 werden einem (nicht dargestellten) Steuergerät zugeführt,
das seinerseits ein Ventil steuert, welches die Druckzufuhr in
den Schlauchanschlüssen 13 unterbrechen kann. Im übrigen wird
der Betrieb des Kraftschraubers in der Weise gesteuert, dass
die beiden hydraulischen Anschlüsse des Kraftschraubers
abwechselnd mit einer Druckleitung und einer Rücklaufleitung
verbunden werden, wobei das Umsteuern entweder mechanisch erfolgt
durch Betätigung eines Umsteuerventils, wenn der Kolben 12
gegen den betreffenden Anschlag gestoßen ist und keine
Weiterbewegung mehr erfolgt, oder durch automatisches Umsteuern.
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Fig. 3 zeigt für einen bestimmten Schraubfall die Abhängigkeit
zwischen dem Drehmoment MD und dem Drehwinkel α. Bei dem ersten
Hub des Kraftschraubers erfolgt zunächst ein nicht linearer
Anstieg 50 des Drehmoments in Bezug auf den Drehwinkel α und
dann, wenn die Schraubverbindung greift, ein linearer Anstieg
51, bei dem der Schraubbolzen gedehnt wird. Bei dem Rückhub des
Kraftschraubers sinkt das Drehmoment MD im Bereich 52 auf Null,
wonach sich dann der 2. Hub anschließt.
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Bis zum Erreichen eines vorher festgelegten Fügemoments MF
erfolgt das Schrauben im Drehmomentmodus DM, also unter Messung
des Drehmoments. Wenn das Drehmoment den Wert des Fügemoments
MF erreicht hat, geht der Modus in den Drehwinkelmodus DWM
über. Zum Zeitpunkt des Erreichens des Fügemoments wird der
Drehwinkel α = 0 definiert, so dass das anschließende
Hochzählen des Drehwinkels jeweils auf denjenigen Drehwinkel bezogen
ist, bei dem das Fügemoment MF erreicht wurde.
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Das Fügemoment MF wird in der Bewegung durchlaufen, d. h. die
Änderung des Modus von DMM nach DWM erfolgt ohne dass der Hub
unterbrochen würde. Am Ende des betreffenden Hubes erreicht das
Drehmoment den Wert MHE1, der sich auf das Hubende 1 nach
Erreichen des Fügemoments bezieht. Bei dem nächsten Rückhub geht das
Drehmoment wieder auf 0 zurück und bei dem dritten Hub erfolgt
zunächst ein nicht linearer Anstieg 53 bis zum Erreichen des
Drehmoments MHE1 und dann schließt sich ein linearer Bereich 54
an, in welchem die Schraube weiter festgezogen wird. Am Ende
eines jeden Hubes wird der Wert des Drehmoments am Hubende MHE1,
MHE2 und MHE3 gespeichert, ebenso wie der zugehörige Drehwinkel
αHE1. αHE2, αHE3. Wenn bei dem nächstfolgenden Hub das Drehmoment
den selben Wert erreicht hat, wie das Drehmomentende des
vorhergehenden Hubes, beginnt das weitere Hochzählen des
Drehwinkels α. Der Winkel αHE1, der am Ende der 2. Hubes gespeichert
wurde, bildet zugleich den Anfangswinkel αHA2, bei dem während
des 3. Hubes das Weiterzählen im linearen Bereich 54 erfolgt.
Am Ende des 3. Hubes wird der Endwert αHE2 gespeichert und bei
dem 4. Hub beginnt die Weiterzählung des Winkels mit dem Wert
αHA3, der gleich αHE2 ist.
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Der Schraubvorgang wird beendet, wenn ein Zielwinkel αZ
erreicht ist, der beispielsweise auf 90° (nach Erreichen des
Fügemoments MF) festgelegt ist. Dann wird der Kraftschrauber
abgeschaltet. Die Schraube ist nun in definierter Weise
festgezogen, wobei die erwünschte Spannung des Schraubbolzens erreicht
ist.
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Für die Drehwinkelerfassung existiert die Bedingung, dass ein
Hochzählen des Drehwinkels nur dann erfolgt, wenn das
gleichzeitig gemessene Moment mindestens die Höhe des Fügemoments MF
hat. Damit wird sichergestellt, dass der Drehwinkel
grundsätzlich erst vom Fügemoment ab erfasst wird.
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Eine weitere Bedingung besteht darin, dass das Hochzählen des
Drehwinkels nur dann erfolgt, wenn bei dem vorhergehenden Hub
eine Hochzählung des Drehwinkels erfolgt ist und das zugehörige
Drehmoment erfasst wurde. Eine Aufsummierung auf den bereits
gespeicherten Drehwinkel erfolgt nur dann, wenn ein Drehmoment,
welches am Ende des letzten Hubes gespeichert wurde, abzüglich
eines Toleranzbereichs, z. B. 5%, erreicht wird. Das
Weiterzählen erfolgt jedoch erst bei Erreichen des End-Drehmoments des
letzten Hubes. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die
Aufsummierung des Drehwinkels nur dann erfolgt, wenn die Mutter
sich dreht und nicht aus dem Stand heraus.
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Entsprechendes gilt auch für das Erreichen des Fügemoments
MF. Das Erreichen des Fügemoments sollte nur dann festgestellt
werden, wenn der lineare Teil der Spannlinie durchlaufen wird,
und zwar im Mittelbereich zwischen den Endpunkten. Sollte das
Fügemoment im oberen Ende des linearen Bereichs erreicht
werden, erfolgt eine Neubestimmung des Erreichens des Fügemoments.
Der Übergang vom Drehmomentmodus DMM zum Drehwinkelmodus DWM
muss aus der Drehbewegung heraus erfolgen, d. h. nicht am Ende
eines Hubes. Dies ist erforderlich um den Nullpunkt α = 0 mit
hinreichender Reproduzierbarkeit definiert zu bestimmen. Wird
nach Erreichen des Fügemoments nur noch ein kleiner
Winkelbereich durchlaufen, der unterhalb eines Grenzwerts von
beispielsweise 2° liegt, wird das Erkennen des Fügemoments
verworfen und auf den nächstfolgenden Hub verschoben. Eine solche
Betriebsweise ist sowohl bei manueller Steuerung des
Kraftschraubers als auch bei automatischer Steuerung möglich.
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Bei einer automatischen Steuerung ist zusätzlich oder
alternativ noch folgendes Kriterium möglich:
Schon vor dem Erreichen des Fügemoments wird der
Differentialquotient der Abhängigkeit zwischen Drehmoment und Drehwinkel
ermittelt, also die Steigung der Geraden. Anhand des jeweils
gemessenen Drehmoments und des Differentialquotienten wird
vorherbestimmt, ob das Fügemoment am Hubende erreicht wird. Wird
erkannt, dass das Fügemoment am Hubende erreicht wird, wird der
Hub durch die Automatik vorzeitig beendet und ein neuer Hub
eingeleitet, bei dem dann das Fügemoment im linearen Bereich
erreicht wird.
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Fig. 4 zeigt die Ermittlung des Differentialquotienten Q im
linearen Bereich der Kurve MD über α. Der Differentialquotient,
d. h. die Steigung errechnet sich zu
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Hierin bedeutet MD1 das Drehmoment, das bei einem bestimmten
Drehwinkel α1 nach Erreichen des Fügemoments gemessen wird, und
das Drehmoment MD2 ist das Drehmoment, das bei einem höheren
Drehwinkel α2 gemessen wird.
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Der Differentialquotient Q kann auch noch für andere Prüfungen
verwendet werden, beispielsweise für die Prüfung, ob eine
Schraube bereits festgezogen ist. In diesem Fall arbeitet der
Kraftschrauber nämlich bei sehr hohem Drehmoment ohne dass eine
Weiterdrehung erfolgt. Folglich liegt der Differentialquotient
außerhalb eines Toleranzbereichs. Der Schraubvorgang wird dann
abgebrochen.
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Ausgewertet werden kann auch der Differentialquotient
unmittelbar vor Erreichen des Zielwertes. Hier wird ein besonderer
Toleranzbereich für den Differentialquotienten definiert und der
Zielwert gilt nur dann als erreicht, wenn der
Differentialquotient zuvor in dem besonderen Toleranzbereich festgestellt
wurde. Auf diese Weise wird vermieden, dass der Zielwinkel durch
einen plötzlichen Ruck erreicht wird.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Zeitdauer der
einzelnen Hübe zu messen, wobei der Schraubvorgang bei zu großer
Zeitdauer verworfen wird. Beispielsweise besteht die
Möglichkeit, für einen bestimmten Schraubfall zahlreiche Dauern der
einzelnen Hübe bei mehreren Schraubvorgängen zu messen und dann
eine mittlere Hubdauer zu definieren, die gespeichert wird. In
gleicher Weise kann auch für den Differentialquotient Q ein
typischer Wert aus zahlreichen, zuvor gemessenen Werten gemittelt
oder auf andere Weise bestimmt werden.