DE19904773C1 - Intelligente Nuß - Google Patents

Abstract

Schraubersystem mit einem Schrauber, zumindest einer Schraubernuß und einem Übertragungsmittel, wobei die Schraubernuß eine Kodiereinrichtung zum Kodieren von Daten und der Schrauber eine Datenübertragungseinrichtung zum Lesen und bevorzugt auch zum Schreiben der Daten umfaßt, die durch das Übertragungsmittel übertragbar sind. Besonders bevorzugt wird ein Transpondersystem eingesetzt, wobei die Daten berührungsfrei mittels elektromagnetischen Hochfrequenzwellen zwischen der Kodiereinrichtung und dem Übertragungsmittel übertragbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schraubersystem, wie es im Anspruch 1 beschrieben ist.

Elektro-Handschrauber sind neben Drehmomentschlüsseln als handbetätigbare Verschraubungswerkzeuge weit verbreitet. Solche Handschrauber werden typischerweise mit einer Vielzahl von sogenannten Schraubernüssen eingesetzt, die passend zu verschiedenen Schrauben und insbesonderen verschiedenen Schraubenköpfen ausgelegt sind. Unterschiedliche Schraubengrößen erfordern zumeist unterschiedliche Drehmoment/Drehwinkelsteuerkurven, d. h. insbesonde­ re unterschiedliche Festzieh-Drehmoments. Herkömmlicherweise müssen solche unterschiedliche Daten bei jedem Schraubernußwechsel an die Schraubersteue­ rung weitergegeben werden. Hierzu kommen im Stand der Technik insbesondere sogenannte Schraubernußwechselkästen zum Einsatz, die als Ablagen für die benötigten Schraubernüsse dienen und ein Signal an die Schraubersteuerung weitergeben, wenn eine bestimmte Schraubernuß entnommen wird. Bauartbe­ dingt können solche Schraubernußwechselkästen vom Benutzer nicht zu dem zu bearbeitenden Werkstück mitgenommen werden und ermöglichen zudem keine gleichzeitige Entnahme mehrerer Schraubernüsse. Dies führt zu einem nachteilig erhöhten Arbeitsaufwand für den Bearbeiter, da für einen Wechsel der Schrau­ bernüsse zusätzliche Wege zu dem Schraubernußwechselkasten anfallen. Ferner sind solche Schraubernußwechselkästen anfällig gegenüber Verwechslungen der Schraubernüsse bei deren Ablage in dem Schraubernußwechselkasten.

In DK 1-98, Seiten 19 bis 21, "Schraublizenz für Mercedes-Sitze" ist ein Perso­ nen-Identifizierungssystem beschrieben, bei welchem sich Werker bei einem Schraubsystem mittels einer scheckkartengroßen Kennkarte bei Schichtbeginn identifizieren und bei Schichtende abmelden müssen. Dies ermöglicht eine personifizierte Qualitätssicherung, da zu allen Zeiten festgestellt werden kann, welcher Werker vorbestimmte Schraubverbindungen durchgeführt hat. Ferner ist ein elektronisches Steckschlüsselbrett zur Aufnahme von Schrauberbits offen­ bart, welches einer übergeordneten Schraubersteuerung einzuhaltende Schraub­ parameter (Drehmoment und Winkel) übermittelt, wenn der Werker dem elektro­ nischen Steckschlüsselbrett (Bit-Selektor) das entsprechende Bit entnimmt.

DE 39 22 049 A1 offenbart ein tragbares, kraftangetriebenes Werkzeug zum Anziehen von Schrauben oder Muttern. Das Werkzeug ist mit einer Dekodier- bzw. Signalleseeinheit bereitgestellt, welche über eine Konsole und Sensoren dreistellige, binäre Identifizierungscodes an einer Schrauberhülse auslesen kann. Hierzu wird von den Sensoren das Fehlen oder Vorhandensein von drei, umfäng­ lich um die Schrauberhülse angebrachten magnetischen Ringen geprüft. Hier­ durch ist es möglich, mit einem derartigen Schrauberwerkzeug 2³ = 8 ver­ schieden kodierte Hülsen zu diskriminieren. Alternativ wird vorgeschlagen, die Kodierung über Hell- bzw. Dunkelfelder auf der Schraubernuß bereitzustellen, welche über eine optische Reflexionsmessung mittels Diode und Fototransistor vom Schrauber erkannt werden können.

In Maschinenmarkt, Würzburg 101 (1995) 36, Seiten 54 bis 58, F. Thoren, R. Rauthe: "Überwachungsstrategien für die fehlerlose Schraubmontage" sind Verfahren zur Messung der Vorspannkraft einer Schraubverbindung beschrieben. Insbesondere ist eine direkte Messung der Vorspannkraft offenbart, bei welcher der Meßwertgeber direkt an der zu verschraubenden Schraube angebracht ist. Hierzu wird ein piezoelektrischer Sensor auf dem Schraubenkopf aufgedampft, welcher bei entsprechender Anregung ein Ultraschallsignal aussendet, aus welchem die erzeugte Vorspannkraft bestimmt werden kann. Eine Codierung von Schraubernüssen erfolgt nicht.

US 5,386,749 offenbart einen mechanischen Handschrauber, welcher mit verstellbaren Schraubernüssen zusammenarbeiten kann. Die Schraubernüsse weisen an ihrer oberen Stirnfläche einen drehbaren Einstellknopf auf, welcher über eine Welle mit einem unteren Einstellabschnitt verbunden ist. Durch Drehen des Einstellknopfs kann der untere Einstellabschnitt derart positioniert werden, daß Muttern unterschiedlicher Größe mit der variablen Schraubernuß verschraubt werden können. Eine eingestellte Position des Einstellknopfs kann durch Ein­ rasten eines Vorsprungs in zugeordnete Rücksprünge der Schraubernuß arretiert werden. Eine Kodierung von Schraubernüssen erfolgt nicht.

DE 297 15 822 U1 beschreibt einen Schraubendrehereinsatz für einen Hand­ schrauber, bei welchem zwischen dem sechskantförmigen Betriebsabschnitt und dem Schraubkopf eine Identifikations-Auflage in einem Halsabschnitt in Form einer enganliegenden Identifikations-Banderole aufgebracht ist. Die Identifikations-Banderole ist derart an dem Schraubendrehereinsatz angebracht, daß sie auch dann sichtbar ist, wenn der Schraubendrehereinsatz betriebsmäßig mit dem Schraubendreher verbunden ist. Dies ermöglicht es dem Werker, die Identifikations-Banderole im Betrieb erkennen zu können und so optisch über­ prüfen zu können, ob ein Schraubendrehereinsatz gewünschter Größe sich in dem Schraubendreher eingesteckt befindet.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Schraubersystem, insbesondere für Elektro-Handschrauber, anzugeben, welches eine benutzerfreundliche, zeit­ sparende und fehlersichere Verwendung einer Vielzahl von Schraubernüssen mit einem Schrauber ermöglicht und insbesondere für einen Einsatz bei einer Insel­ montage ausgelegt ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein Schraubersystem einen Schrauber, mit zumindest einer Schraubernuß und einem Übertragungsmittel, welches für eine berührungsfreie elektromagnetische Datenübertragung ausgelegt ist, wobei die Schraubernuß eine Kodiereinrichtung mit elektronischen Kodiermitteln zum Kodieren von Daten und der Schrauber eine Datenübertragungseinrichtung zum Lesen der Daten aus der Kodiereinrichtung und vorzugsweise zusätzlich zum Schreiben der Daten in die Kodiereinrichtung umfaßt, die durch das Übertragungsmittel übertragbar sind, und wobei die elektronischen Kodiermittel zumindest einen integrierten elektro­ nischen Schaltkreis umfassen.

Wenn folglich eine Schraubernuß betriebsmäßig an den Schrauber angebracht wird, kann eine eindeutige Identifizierung der Schraubernuß aufgrund der in der Kodiereinrichtung kodierten Daten mittels der Datenübertragungseinrichtung erfolgen. Aufgrund dieser Daten kann eine vorbestimmte oder zu bestimmende Drehmoment/Drehwinkelsteuerkurve bzw. ein Festzieh-Drehmoment an eine entsprechende Schraubersteuerung weitergegeben werden. Auf Schraubernuß­ wechselkästen kann somit in vielen Fällen vollständig verzichtet werden. Die Gefahr, daß ein vorbestimmter Schraubvorgang mit einer der Schraubernuß bzw. Schraube nicht entsprechenden Drehmoment/Drehwinkelsteuerkurve durch­ geführt wird, wird so erfindungsgemäß auf ein Minimum reduziert bzw. voll­ ständig ausgeschlossen. Vorzugsweise umfaßt das erfindungsgemäße Schrau­ bersystem eine Datenübertragungseinrichtung und eine Kodiereinrichtung derart, daß einerseits Daten von der Datenübertragungseinrichtung des Schraubers über das Übertragungsmittel in die Kodiereinrichtung zur dortigen Kodierung übertrag­ bar sind und andererseits bereits in der Kodiereinrichtung kodierte Daten über das Übertragungsmittel von der Datenübertragungseinrichtung auslesbar bzw. empfangbar sind. Dies ermöglicht es in einfacherer Weise, in der Kodierein­ richtung kodierte Daten, beispielsweise ein neues Festzieh-Drehmoment, für eine Schraubernuß zu ändern oder neu einzugeben. Auch ist es hiermit möglich, Daten des letzten Schraubvorganges in der Kodiereinrichtung der Schraubernuß abzulegen.

Die Kodiereinrichtung umfaßt elektrische bzw. elektronische Kodiermittel und das Übertragungsmittel ist für eine berührungsfreie elektromagnetische Datenüber­ tragung ausgelegt, die kontaktfrei (ohne elektrisch leitfähige Verbindung) erfolgt. Dies ermöglicht eine besonders geringe Fehlerübertragungswahrscheinlichkeit und damit eine hohe Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Schrauber­ systems.

Das elektrische bzw. elektronische Kodiermittel umfaßt zumindest einen inte­ grierten elektronischen Schaltkreis (Chip). Die Datenübertragung kann somit in der Form eines Transpondersystems erfolgen, das berührungsfreies Lesen und/oder Schreiben der Daten ermöglicht. Insbesondere kann hierbei das elektro­ nische Kodiermittel neben dem integrierten Schaltkreis, der den Datenspeicher für die Daten beispielsweise als EEPROM bildet, eine Sende- und/oder Empfangs­ antenne, ein Speicherkondensator, und ein Hochfrequenz-Sende- und/oder Empfangsteil umfassen. Die Datenübertragungseinrichtung ist dann als eine Hochfrequenzschreib- und/oder Lesestation ausgelegt, die per elektromagneti­ scher Hochfrequenzübertragung den Inhalt des Datenspeichers lesen bzw. diesen ändern oder neu beschreiben kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Daten schrauberspezifische Daten, die insbesondere die Schraubernußgröße beinhalten.

Weiter bevorzugt kann die elektronische Kodiereinrichtung ein akustisches Oberflächenbauelement umfassen, das zur Kodierung der Daten ausgelegt ist. Beispielsweise kann das akustische Oberflächenbauelement ein piezoelektrischer Einkristallchip sein, dessen Oberfläche durch planarlithographische Prozeßschritte mit metallischen Leitungen prozessiert wurde. Ein von der Datenübertragungsein­ richtung eingestrahlter Hochfrequenzauslesepuls wird hierbei von einer planarlito­ graphischen Eingangsantenne auf dem Einkristallchip über einen ebenfalls planar­ litographisch definierten Interdigitalwandler in eine akustische Oberflächenwelle gewandelt, die nachfolgend auf der Oberfläche des Einkristallchips entlang einer vorbestimmten Ausbreitungsrichtung propagiert. In die akustische Laufstrecke eingebrachte Reflektoren, deren Anordnung den kodierten Daten entspricht, reflektieren nachfolgend einen Teil der akustischen Oberflächenwelle zurück zu dem Interdigitalwandler, der die reflektierte akustische Leistung wieder in ein Hochfrequenzsignal wandelt. Dieses Hochfrequenzsignal kann von der Daten­ übertragungseinrichtung im Schrauber detektiert und ausgewertet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Datenübertragungseinrichtung in der Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels ausgebildet, der vorzugs­ weise an einer Seite des Schraubers, die einer betriebsmäßig angebrachten Schraubernuß zugewandt ist, angeordnet ist. Besonders bevorzugt wird hierbei eine zentrierte Anordnung der Datenübertragungseinrichtung auf einer Drehachse des Schraubers. Dies ermöglicht es, mit minimalen konstruktiven Änderungen einen herkömmlichen Schrauber als den Schrauber für das erfindungsgemäße Schraubersystem bereitzustellen. Auch kann auf diese Weise ein herkömmlicher Schrauber mit der erfindungsgemäßen Datenübertragungseinrichtung nach­ gerüstet werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kodiereinrichtung in Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels ausge­ bildet, der vorzugsweise an einer Seite der Schraubernuß, die betriebsmäßig dem Schrauber zugewandt ist, befestigt ist. Dies ermöglicht es, unter minimalem konstruktiven Aufwand bzw. mit minimalen Änderungen eine Kodiereinrichtung für eine Schraubernuß für das erfindungsgemäße Schraubersystem bereitzustel­ len. Auch kann eine herkömmliche Schraubernuß auf diese Weise mit kleinem Änderungsaufwand mit der Kodiereinrichtung nachgerüstet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kodiereinrichtung in einer Ausnehmung in einer Seite der Schraubernuß angeordnet, die betriebs­ mäßig dem Schrauber zugewandt ist. Durch eine solche vorteilhafte Anordnung der Kodiereinrichtung in der Schraubernuß kann ein beschädigender mecha­ nischer Einfluß der Kodiereinrichtung während des Betriebs weitestgehend minimiert werden. Soll eine elektromagnetische Übertragung der Daten von bzw. zu der Kodiereinrichtung erfolgen, ist es erforderlich, bei der Dimensionierung der Vertiefung einen elektromagnetischen Abschirmeffekt durch die typischerweise metallische Schraubernuß zu berücksichtigen. Dies kann insbesondere eine höhere Frequenz der verwendeten elektromagnetischen Wellen zur Übertragung erfordern.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schrauber des Schraubersystems ein Elektro-Handschrauber, der als handgeführ­ tes Verschraubungswerkzeug eingesetzt wird. Die Erfindung kann jedoch eben­ falls für Einbau-Schrauber zur Verwendung kommen.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1(a) eine schematische Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Handschraubers;

Fig. 1(b) eine schematische Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schraubernuß; und

Fig. 1(c) eine schematische Aufsicht auf die in Fig. 1(b) dargestellte Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Schraubernuß von entlang deren Drehachse vom Schrauber aus gesehen.

Fig. 1(a) zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Handschraubers 10. Es handelt sich hierbei um einen Elektro-Handschrauber, der von einem bürstenlosen Gleichstrommotor angetrieben wird. Der Handschrauber 10 umfaßt einen Motorlagegeber 12, eine Motorversorgung 14, einen Startschalter 16, einen Drehwinkelsensor 18 und einen Drehmomentsensor 20. Der Schraublei­ stungsausgang des Handschraubers 10 wird durch einen Antriebsvierkant 22 bereitgestellt, dessen Drehachse senkrecht zu der Längsachse des Schraubers 10 angeordnet ist (Winkelschrauber). Um einen Schraubvorgang durchzuführen, wird eine in Fig. 1(b) dargestellte Schraubernuß 24 in Verbindung mit dem Handschrauber 10 verwendet. Das hintere Ende der Schraubernuß 24 ist hierbei mit einer Vierkantausnehmung 26 bereitgestellt, die betriebsmäßig in Eingriff mit dem Antriebsvierkant 22 des Handschraubers 10 steht, so daß eine Drehan­ triebsleistung des Handschraubers 10 auf die Schraubernuß 24 übertragen werden kann.

Der drehbare Antriebsvierkant 22 des Handschraubers 10 springt entlang der Schrauberdrehachse von einer Schrauberstirnfläche 28 vor. An die Schrauber­ stirnfläche 28 ist eine Datenübertragungseinrichtung 31 zum Lesen und Schrei­ ben von Daten befestigt. Die Datenübertragungseinrichtung 31 ist hierbei in der Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels gebildet, in den aktive Daten­ übertragungseinrichtungskomponenten entweder eingegossen oder eingebaut werden können. Der ringförmige Kunststoffaußenmantel ist auf der Schrauber­ drehachse zentriert und berührungsfrei gegenüber dem Antriebsvierkant 22 angeordnet. Die Betriebsweise der Datenübertragungseinrichtung 31 wird später detailliert beschrieben werden.

An einer dem Schrauber 10 betriebsmäßig zugewandten Stirnseite 32 ist eine Kodiereinrichtung 34 zum Kodieren von Daten an der Stirnfläche 32 der Schrau­ bernuß 24 befestigt. Die Kodiereinrichtung 34 ist in der Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels ausgebildet, wie in der schematischen Aufsicht in Fig. 1(c) dargestellt ist. Der ringförmige Außenmantel der Kodiereinrichtung 34 hat den gleichen Außendurchmesser wie der entsprechende Kunststoffaußenmantel der Datenübertragungseinrichtung 30. Der Innendurchmesser des Kunststoff­ außenmantels der Kodiereinrichtung 34 ist so gewählt, daß die Vierkantausneh­ mung 26 der Schraubernuß 24 nicht von dem Kunststoffaußenmantel der Kodiereinrichtung 34 verdeckt wird. Die Kodiereinrichtung 34 wird dabei derart auf der Schraubernuß 24 angeordnet, daß die Zentrumsachse der Kodierein­ richtung 34 entlang der betriebsmäßigen Drehachse der Schraubernuß 24 verläuft. Die aktiven Komponenten der Kodiereinrichtung 34 können in kompak­ ter Form in einem beliebigen Abschnitt in dem Kunststoffaußenmantel unterge­ bracht sein. Alternativ können sich die aktiven Komponenten der Kodierein­ richtung 34 auch in dem gesamten ringförmigen Kunststoffaußenmantel er­ strecken.

Datenübertragungseinrichtung 30 und Kodiereinrichtung 34 bilden zusammen ein Transpondersystem, das mit elektromagnetischen Wellen als Übertragungsmittel zur berührungslosen Datenübertragung, die auch eine benötigte Leistungsüber­ tragung beinhaltet, ausgelegt ist. Die Funktionsweise einer bevorzugten Aus­ führungsform dieses Transpondersystems soll im folgenden kurz dargestellt werden:

Die Kodiereinrichtung 34 in der Schraubernuß 24 umfaßt eine Sende- und Empfangsantenne, einen Speicherkondensator, ein Hochfrequenz-Sende- und - Empfangsteil, einen Datenspeicher in der Form eines EEPROM und eine Steuerlo­ gik. Diese aktiven Kodiereinrichtungskomponenten sind in einem Glasröhrchen hermetisch von der Umwelt abgeschlossen und in dem ringförmigen Kunststoff­ außenmantel eingegossen. Die Datenübertragungseinrichtung 30 des Schraubers 10 umfaßt ebenfalls eine Sende- und Empfangsantenne, eine Kontrolllogik, ein Hochfrequenzteil sowie eine Schnittstelle. Taucht nun eine Kodiereinrichtung 34 in den Wirkbereich der Sende- und Empfangsantenne der Datenübertragungsein­ richtung 30, so sendet diese zunächst einen Energieimpuls, der den im Trans­ ponder enthaltenen Speicherkondensator (Energiespeicher) aufläd. Ist genügend Energie in dem Speicherkondensator gespeichert, so schaltet die Kontrolllogik einen Hochfrequenzsender ein und überträgt den Inhalt des Datenspeichers (des EEPROMs) an die Datenübertragungseinrichtung 30. Umgekehrt kann die Daten­ übertragungseinrichtung 30 neue Daten in den Datenspeicher der Kodierein­ richtung einschreiben. Besonders vorteilhaft an dieser Transponderausführung ist, daß die Kodiereinrichtung selbst keine eigene Energiequelle benötigt, da die zum Datenaustausch benötigte Energie über das Hochfrequenzfeld von der Datenübertragungseinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Die Kodiereinrichtung hat somit eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß zwischen der Datenübertragungseinrichtung 30 und der Kodierein­ richtung 34 keine Sichtverbindung notwendig ist und insbesondere durch Fremd­ körper, die an der Datenübertragungseinrichtung 30 und/oder der Kodierein­ richtung 34 anhaften, nicht in ihrer Zuverlässigkeit beeinflußt wird. Die zu schreibenden und/oder auszulesenden Daten des Datenspeichers der Kodierein­ richtung 34 werden nachfolgend von der Schnittstelle der Datenübertragungsein­ richtung 30 an eine nicht dargestellte Datenprozessierungseinheit weitergeleitet, die sowohl im Schrauber als auch in einer externen Steuerungselektronik unter­ gebracht sein kann.

Bezugszeichenliste

10

Handschrauber

12

Motolagegeber

14

Motorversorgung

16

Startschalter

18

Drehwinkelsensor

20

Drehmomentsensor

22

Antriebsvierkant

24

Schraubernuß

26

Vierkantausnehmung

28

Schrauberstirnfläche

30

Datenübertragungseinrichtung

32

Stirnseite

34

Kodiereinrichtung

Claims (6)

1. Schraubersystem mit einem Schrauber (10), zumindest einer Schrauber­ nuß (24) und einem Übertragungsmittel, welches für eine berührungsfreie elektromagnetische Datenübertragung ausgelegt ist, wobei die Schrauber­ nuß (24) eine Kodiereinrichtung (34) mit elektronischen Kodiermitteln zum Kodieren von Daten und der Schrauber (10) eine Datenübertragungsein­ richtung (30) zum Lesen der Daten aus der Kodiereinrichtung (34) und vorzugsweise zusätzlich zum Schreiben der Daten in die Kodiereinrichtung (34) umfaßt, die durch das Übertragungsmittel übertragbar sind, und wobei die elektronischen Kodiermittel zumindest einen integrierten elektro­ nischen Schaltkreis umfassen.

2. Schraubersystem nach Anspruch 1, wobei die Daten schraubernußspezi­ fische Daten sind.

3. Schraubersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Datenübertragung­ einrichtung (30) in Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels ausgebildet ist, der vorzugsweise an einer Seite (28) des Schraubers (10), die einer betriebsmäßig angebrachten Schraubernuß zugewandt ist, an­ geordnet ist.

4. Schraubersystem nach einem oder mehreren der vorangegangenen An­ sprüche, wobei die Kodiereinrichtung (34) in Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels ausgebildet ist, der vorzugsweise an einer Seite (32) der Schraubernuß (34), die betriebsmäßig dem Schrauber (10) zu­ gewandt ist, befestigt ist.

5. Schraubersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kodiereinrichtung (34) in einer Ausnehmung in einer Seite der Schraubernuß (24) angeordnet ist, die betriebsmäßig dem Schrauber (10) zugewandt ist.

6. Schraubersystem nach einem oder mehreren der vorangegangenen An­ sprüche, wobei der Schrauber (10) ein Elektro-Handschrauber ist.