DE10258900B4

DE10258900B4 - Akkuschrauber für Sicherheitsverschraubungen

Info

Publication number: DE10258900B4
Application number: DE2002158900
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Berndt; Anton Huegler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: DE10258900A1

Abstract

Akkuschrauber zum Festschrauben von Schraubkomponenten, mit
einem Schraubermotor, der von einer autarken, am Akkuschrauber angeordneten Spannungsversorgung mit elektrischer Spannung versorgt wird,
mindestens drei Messeinrichtungen, die zum Überwachen von Schraubparametern während des Einschraubvorgangs vorgesehen sind, nämlich
einem Drehmomentsensor, mit dem das vom Schraubermotor erzeugte Anzugsdrehmoment messbar ist,
einem Drehwinkelsensor, mit dem ausgehend von einer vorgegebenen Messstellung der aktuelle Einschraubwinkel messbar ist,
einem Stromsensor, mit dem der Antriebsstrom des Schraubermotors messbar ist,
einer Überwachungselektronik, welche den Schraubermotor abschaltet, wenn gleichzeitig das Anzugsdrehmoment, der Einschraubwinkel und der Antriebsstrom jeweils innerhalb eines vorgegebenen, zugeordneten Soll-Parameter-Fensters liegen, und
einer mit dem Akkuschrauber zusammenwirkenden Ortungseinrichtung, mit der die räumliche Ausrichtung des Akkuschraubers in Bezug auf ein Inertialsystem überwacht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Akkuschrauber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Akkuschrauber an sich sind Stand der Technik und beispielsweise aus der DE 196 20 782 A1 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Akkuschrauber wird während des Schraubvorgangs der im Schraubermotor fließende Strom, der proportional zum Anzugsdrehmoment ist, überwacht. Gleichzeitig wird während eines Schraubvorgangs auch der Drehwinkel über eine Drehwinkelmessvorrichtung und/oder die Schraubzeit erfasst. Nach einem bestimmten vorgegebenen Drehmomentverlauf wird durch die Schrauberelektronik eine automatische Abschaltung des Schraubers ausgelöst, wobei der Gradient während eines Schraubervorgangs zuerst einen Anstieg, dann eine Verringerung des Anstiegs, anschließend eine Zunahme des Anstiegs oder einen erneuten Anstieg und danach eine Verringerung der Zunahme oder des erneuten Anstiegs durchlaufen haben muss. Der Akkuschrauber kann zusätzlich eine Infrarotschnittstelle aufweisen, über welche die während des Schraubvorgangs erfassten Schraubparameter an eine Basisstation übertragen werden.

Ein ähnlicher Akkuschrauber ist aus der DE 101 27 821 C1 bekannt sowie ein Knickschlüssel aus der EP 1 068 931 A2 .

Im Automobilbau sind bei der Herstellung sicherheitsrelevanter Verschraubungen diverse gesetzliche bzw. von den Automobilherstellern selbst auferlegte Qualitätsvorschriften einzuhalten. Recht strenge Qualitätsvorschriften gelten beispielweise für Verschraubungen der Risikoklasse A gemäß VDI 2862.

Als weiterer relevanter Stand der Technik ist zu nennen die DE 43 16 332 C2 sowie GROSSBERNDT, Hermann, Die automatisierte Montage mit Schrauben, expert-Verlag, 1988, Ehningen bei Böblingen, Seite 132, 133, 144, 145.

Zur Herstellung derart sicherheitsrelevanter Verschraubungen werden üblicherweise Schrauber eingesetzt, die über elektrische Leitungen mit einer Basisstation kommunizieren. Die Stromversorgung für den Antrieb des Schraubers erfolgt dort ebenfalls über elektrische Verbindungsleitungen. „Kabelgebundene Schrauber" schränken im Vergleich zu Akkuschraubern die Bewegungsfreiheit eines Arbeiters bei der Montage erheblich ein. Ferner besteht die Gefahr, dass durch die Kabelverbindungen Bauteiloberflächen verkratzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kabellosen bzw. nicht kabelgebundenen Schrauber zu schaffen, der zur Herstellung sicherheitsrelevanter Schraubverbindungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei dem Schrauber gemäß der Erfindung handelt es sich um einen Akkuschrauber mit einem Schraubermotor, der von einer im oder am Akkuschrauber angeordneten Spannungsversorgung, wie z.B. einer Batterie oder einem aufladbaren Akku, mit Strom versorgt wird. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Akkuschrauber mindestens drei Messeinrichtungen zum Überwachen von Einschraubparametern aufweist, nämlich:

– einen Drehmomentsensor, mit dem das vom Schraubermotor erzeugte Anzugdrehmoment messbar ist;
– einen Drehwinkelsensor, mit dem ausgehend von einer vorgegebenen Messstellung der aktuelle Gesamteinschraubwinkel messbar ist und
– einen Stromsensor, mit dem der Antriebsstrom des Schraubermotors messbar ist.

Aus Sicherheitsgründen ist es ganz wesentlich, dass das Anzugdrehmoment, der Einschraubwinkel und der Antriebsstrom unabhängig voneinander ermittelt werden. Anders ausgedrückt werden bei dem Akkuschrauber gemäß der Erfindung drei voneinander unabhängige Einschraubparameter überwacht.

Der Akkuschrauber weist ferner eine Überwachungselektronik auf, die den Schraubermotor abschaltet, wenn gleichzeitig das Anzugdrehmoment, der Einschraubwinkel und der Antriebsstrom jeweils innerhalb eines vorgegebenen, zugeordneten „Soll-Parameter-Fensters" bzw. innerhalb einer vorgegebenen, zugeordneten „Soll-Parameter-Bandbreite" liegen. Das Anzugdrehmoment kann beispielsweise an der Schrauberwelle mittels eines oder mehrerer Dehnmesselemente gemessen werden. Der Einschraubwinkel kann über einen Drehwinkelsensor gemessen oder rechnerisch aus der Schraubgeschwindigkeit und der Schraubzeit bestimmt werden. Der Antriebsstrom kann in bekannter Weise über einen Strommesser überwacht werden.

Vorzugsweise muss der „Überwachungsvorgang" der Abschaltkriterien während eines Schraubvorganges "aktiviert" werden. Hierzu kann vorgesehen sein, dass in einer Startphase des Einschraubvorganges mindestens ein Einschraubparameter, wie z.B. das Anzugdrehmoment, singulär überwacht wird. Unter singulärer Überwachung ist zu verstehen, dass der Einschraubparameter zunächst einzeln, d.h. für sich betrachtet wird. Das heißt, in der Startphase des Einschraubvorgangs ist die gleichzeitige Überwachung der Einschraubparameter vorzugsweise zunächst deaktiviert. Die gemäß der Erfindung vorgesehene gleichzeitige Überwachung der mindestens drei unabhängigen Einschraubparameter wird vorzugsweise erst dann aktiviert, wenn der mindestens eine in der Startphase des Einschraubvorgangs singulär überwachte Einschraubparameter einen vorgegebenen Wert erreicht. Bei manchen Schraubvorgängen treten nämlich in der Startphase des Einschraubvorgangs Spitzen bzw. relativ steile Anstiege im Drehmomentverlauf bzw. im Stromverlauf des Schraubermotors auf. Gemäß der Erfindung kann nun vorgesehen sein, dass die gleichzeitige Überwachung der mindestens drei "Abschaltkriterien" erst dann aktiviert wird, wenn der bzw. die singulär überwachten Einschraubparameter einen vorgegebenen Wert annehmen bzw. überschreiten.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Akkuschrauber eine Anzeigeeinrichtung auf, die ein "in Ordnung-Signal" bzw. eine Fehlermeldung anzeigt. Das "in-Ordnung-Signal" wird angezeigt, wenn gleichzeitig das Anzugsdrehmoment, der Einschraubwinkel und der Antriebsstrom jeweils innerhalb des vorgegebenen, zugeordneten Soll-Parameter-Fensters liegen. Ein Fehlersignal wird angezeigt, wenn am Schluss eines Schraubvorganges einer der Einschraubparameter nicht innerhalb des zugeordneten Soll-Parameter-Fenster liegt.

Vorzugsweise weist der Akkuschrauber eine Sende-/Empfangsschnittstelle auf, die einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen dem Akkuschrauber und einer Basisstation ermöglicht. Die während des Einschraubvorganges von den Sensoren am Akkuschrauber gemessenen Einschraubparameter können dann drahtlos, z.B. über Funk, zur Basisstation übertragen und dort gespeichert werden, was eine Dokumentation von Arbeitsgängen ermöglicht.

Ferner können von der Basisstation für unterschiedliche Verschraubungen verschiedene jeweils zugeordnete "Soll-Werte bzw. Soll-Parameter-Fenster" an den Akkuschrauber übertragen werden. Mit ein- und demselben Akkuschrauber können somit nacheinander verschiedene Verschraubungen mit unterschiedlichen Schraubparametern, wie Anzugsdrehmoment, Einschraubwinkel etc. hergestellt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein mit dem Akkuschrauber zusammenwirkendes „Ortungssystem" vorgesehen. Beispielsweise kann mit einem Triangulationsverfahren die aktuelle Position des Akkuschraubers in Bezug auf ein Inertialsystem überwacht werden. Zusätzlich kann die räumliche Ausrichtung des Akkuschraubers in Bezug auf das Inertialsystem überwacht werden. Bei einer Fließbandfertigung wie im Automobilbau kann somit festgestellt werden, welche Schraube vom Werker gerade angezogen wird. Dementsprechend können dann von der Basisstation für die jeweilige Verschraubung Soll-Schraubparameter eingesteuert werden.

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt in schematischer Darstellung die einzelnen funktionalen Komponenten eines Akkuschraubers gemäß der Erfindung.

Ein Akkuschrauber gemäß der Erfindung besteht aus einem Gehäuse 1, in dem ein Schraubermotor vorgesehen ist, der über eine Schrauberwelle 2 ein Schraubwerkzeug 3 antreibt. Der im Gehäuse 1 angeordnete Schraubermotor wird von einem Akku bzw. von einer Batterie mit Spannung versorgt. Der Akku bzw. die Batterie 4 kann in das Gehäuse 1 integriert sein oder am Gehäuse 1 angeordnet sein. Ferner ist eine Sende-/Empfangsschnittstelle 5 vorgesehen, die einen drahtlosen bidirektionalen Datenaustausch zwischen dem Akkuschrauber und einer Basisstation 6 ermöglicht. Ferner ist am Akkuschrauber eine Ein-/Ausgabeeinheit 7, z.B. in Form von Tasten und einem Display vorgesehen. Über die Tasten kann beispielsweise ein im Akkuschrauber elektronisch gespeichertes Schraubprogramm angewählt werden. Am Display kann abgelesen werden, ob eine Verschraubung in Ordnung ist oder nicht, d.h. ob bei einem Schraubvorgang zu überwachende Schraubparameter innerhalb vorgegebener Toleranzfenster liegen.

Bei dem in 1 gezeigten Akkuschrauber werden mindestens drei verschiedene Einschraubparameter unabhängig voneinander gemessen bzw. überwacht, nämlich das vom Schraubermotor erzeugte Anzugdrehmoment, der Gesamteinschraubwinkel in Bezug auf eine vorgegebene Anfangsstellung und der durch den Schraubermotor während des Einschraubvorgangs fließende Antriebsstrom. Das Anzugsdrehmoment kann beispielsweise mittels den Dehnmesselementen an der Schrauberwelle 2 mechanisch gemessen und in elektrische Signale umgewandelt werden. Der Antriebsstrom kann in bekannter Weise mittels eines in das Gehäuse 1 integrierten Strommessers gemessen werden. Der Drehwinkel kann entweder anhand der Schrauberdrehzahl und der Schraubzeit berechnet werden oder über einen Drehwinkelsensor gemessen werden.

Claims

Akkuschrauber zum Festschrauben von Schraubkomponenten, mit einem Schraubermotor, der von einer autarken, am Akkuschrauber angeordneten Spannungsversorgung mit elektrischer Spannung versorgt wird, mindestens drei Messeinrichtungen, die zum Überwachen von Schraubparametern während des Einschraubvorgangs vorgesehen sind, nämlich einem Drehmomentsensor, mit dem das vom Schraubermotor erzeugte Anzugsdrehmoment messbar ist, einem Drehwinkelsensor, mit dem ausgehend von einer vorgegebenen Messstellung der aktuelle Einschraubwinkel messbar ist, einem Stromsensor, mit dem der Antriebsstrom des Schraubermotors messbar ist, einer Überwachungselektronik, welche den Schraubermotor abschaltet, wenn gleichzeitig das Anzugsdrehmoment, der Einschraubwinkel und der Antriebsstrom jeweils innerhalb eines vorgegebenen, zugeordneten Soll-Parameter-Fensters liegen, und einer mit dem Akkuschrauber zusammenwirkenden Ortungseinrichtung, mit der die räumliche Ausrichtung des Akkuschraubers in Bezug auf ein Inertialsystem überwacht wird.
Akkuschrauber nach Anspruch 1, wobei in einer Startphase eines Einschraubvorganges mindestens ein Einschraubparameter singulär überwacht wird, wobei in der Startphase die gleichzeitige Überwachung der Einschraubparameter durch die Überwachungselektronik zunächst deaktiviert ist und die gleichzeitige Überwachung der Einschraubparameter erst dann aktiviert wird, wenn der mindestens eine in der Startphase singulär überwachte Einschraubparameter einen vorgegebenen Wert erreicht.
Akkuschrauber nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Akkuschrauber eine Anzeigeinrichtung aufweist, die bei Erreichen einer Einschraubposition ein in Ordnung-Signal anzeigt, wenn gleichzeitig das Anzugsdrehmoment, der Einschraubwinkel und der Antriebsstrom jeweils innerhalb eines vorgegebenen, zugeordneten Soll-Parameter-Fensters liegen und die eine Fehlermeldung anzeigt, wenn mindestens einer der Einschraubparameter außerhalb des zugeordneten Soll-Parameter-Fensters liegt.
Akkuschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Akkuschrauber eine Sende-/Empfangsschnittstelle (5) aufweist, die einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen dem Akkuschrauber und einer Basisstation (6) ermöglicht.
Akkuschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine mit dem Akkuschrauber zusammenwirkende Ortungseinrichtung vorgesehen ist, mit der die räumliche Position des Akkuschraubers in Bezug auf ein Inertialsystem überwacht wird.