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WO2019121754A1 - Setzverfahren für schraubverbindung mittels schlagschrauber - Google Patents

Setzverfahren für schraubverbindung mittels schlagschrauber Download PDF

Info

Publication number
WO2019121754A1
WO2019121754A1 PCT/EP2018/085610 EP2018085610W WO2019121754A1 WO 2019121754 A1 WO2019121754 A1 WO 2019121754A1 EP 2018085610 W EP2018085610 W EP 2018085610W WO 2019121754 A1 WO2019121754 A1 WO 2019121754A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
phase
screw connection
torque
impact
screw
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/085610
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthaeus ALBERDING
Dario BRALLA
Antonio Orvieto
Original Assignee
Hilti Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti Aktiengesellschaft filed Critical Hilti Aktiengesellschaft
Publication of WO2019121754A1 publication Critical patent/WO2019121754A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B21/00—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose
    • B25B21/02—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose with means for imparting impact to screwdriver blade or nut socket
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B23/00—Details of, or accessories for, spanners, wrenches, screwdrivers
    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
    • B25B23/147—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for electrically operated wrenches or screwdrivers
    • B25B23/1475—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for electrically operated wrenches or screwdrivers for impact wrenches or screwdrivers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B31/00—Hand tools for applying fasteners

Definitions

  • the present invention relates to a setting method for screw connection, which is implemented as a control method for an impact wrench.
  • steel plate-shaped components are connected with a screw.
  • the components are only limited plan to each other, whereby a normalized fastening is difficult. It is therefore intended that by hand the screw is tightened with a torque wrench. However, the user may forget about manual tightening or improper use.
  • One embodiment of a control method for an impact wrench for tightening a threaded fastener executes a sequence of successive phases in response to a push-button operation.
  • an impact mechanism of the impact wrench repeatedly applies rotary impacts to the screw connection and an estimating device estimates a torque transmitted by the rotary impact to the screw connection.
  • the first phase is terminated when the estimated transmitted torque exceeds a predetermined threshold for the screw connection.
  • a predetermined number of turns is applied to the screw connection or the screw connection is rotated by a predetermined angle of rotation.
  • a check routine is executed which estimates a rotation angle F and terminates the sequence when the rotation angle F exceeds an upper limit.
  • One embodiment of a control method of an impact wrench for tightening a threaded fastener executes a sequence of successive phases in response to a push-button operation.
  • a striking mechanism of the impact wrench repeatedly applies rotational shocks to the screw connection, wherein the first phase is terminated when the estimated transmitted torque exceeds a predetermined threshold for the screw connection.
  • a second phase will a predetermined number of turns for the screw on the screw exercised.
  • An estimation routine estimates a course of a rotation angle F over time. A pattern is fitted to the gradient and the default number is set based on the fitted pattern.
  • Fig. 1 an impact wrench
  • Fig. 2 is an input element
  • Fig. 3 is an expansion anchor
  • Fig. 5 is a graph of the estimated torque
  • Fig. 6 is a screw connection of two steel plates
  • Fig. 7 is a screw connection of two steel plates
  • the impact wrench 1 schematically illustrates the impact wrench 1.
  • the impact wrench 1 has an electric motor 2, a striking mechanism 3 and an output spindle 4.
  • the impact mechanism 3 is continuously driven by the electric motor 2.
  • the percussion mechanism 3 repeatedly applies rotational impulses (rotational strokes) to the output spindle 4 with a short-term but very high torque.
  • the output spindle 4 rotates accordingly continuously or stepwise about a working axis 5.
  • the electric motor 2 can be powered by a battery 6 or mains powered.
  • the impact wrench 1 has a handle 7, by means of which the user can hold and guide the impact wrench 1 during operation.
  • the handle 7 may be rigid or secured by means of damping elements on a machine housing 8.
  • the electric motor 2 and the striking mechanism 3 are arranged in the machine housing 8.
  • the electric motor 2 is switched on and off by means of a button 9.
  • the button 9 is for example arranged directly on the handle 7 and operable by the hand surrounding the handle.
  • the exemplary striking mechanism 3 has a hammer 10 and an anvil 11.
  • the hammer 10 has claws 12 which rest in the direction of rotation on jaws 13 of the anvil 11.
  • the hammer 10 may transmit continuous torque or momentary angular momentum to the anvil 11 via the jaws 12.
  • a coil spring 14 biases the hammer 10 toward the anvil 11, thereby holding the hammer 10 in engagement with the anvil 11. If the torque exceeds the threshold, the hammer 10 shifts against the force of the coil spring until the claws 12 are no longer in engagement with the anvil 11.
  • the electric motor 2 can accelerate the hammer 10 in the direction of rotation until the hammer 10 is again forced into engagement with the anvil 11 by the helical spring 14.
  • the kinetic energy gained in the meantime is transmitted by the hammer 10 to the anvil 11 in a short moment.
  • One embodiment provides that the hammer 10 is forcibly guided on a drive spindle 15 along a helical path 16.
  • the positive guidance can be realized, for example, as a helical depression in the drive spindle 15 and a pin of the hammer 10 engaging in the depression.
  • the drive spindle 15 is driven by the electric motor 2.
  • the output spindle 4 protrudes from the machine housing 8.
  • the protruding end forms a tool holder 17.
  • the exemplary tool holder 17 has a square cross section.
  • a socket 18 or similar tool can be plugged onto the tool holder 17.
  • the socket 18 has a socket with a square hollow cross-section, which substantially corresponds in its dimensions to the tool holder 17.
  • the socket opposite the socket 18 has a mouth 20 for receiving the screw head 21, ie the hexagonal nut 22 or an analog screw.
  • the socket 18 may be secured by means of a tool lock 23 on the output spindle 4.
  • the tool lock 23 is based for example on a pin which is inserted through both a bore in the output spindle 4 and in the socket 18.
  • the impact wrench 1 has a control unit 24.
  • the control unit 24 may be realized, for example, by a microprocessor and an external or integrated memory 25. Instead of a microprocessor, the control unit can be realized from equivalent discrete components, an ASIC, an ASSP,
  • the impact wrench 1 has an input element 26, via which the user can select an operating mode.
  • the control unit 24 then controls the impact wrench 1 according to the selected operating mode.
  • the control sequences of the various operating modes may be stored in the memory 25.
  • the operating modes include, among other things, a setting method for expansion anchors and setting methods for screw connections in steel construction.
  • the input element 26 may include, for example, a display 27 and one or more input buttons 28.
  • the control unit 24 can display the various operating modes stored in the memory 25 and, if appropriate, associated connection types. The user can select the operating mode by means of the input key 28. In addition, the user can enter specifications such as size, diameter, length, setpoint torque, load capacity or manufacturer designation of a connection type.
  • the impact wrench 1 has a communication interface 29, which communicates with an external input element 30.
  • the external input element 30 may be, for example, a mobile phone, a laptop or analogue mobile device.
  • the input element may be an additional module which can be arranged as an adapter between impact wrench 1 and battery 6.
  • connection types are stored or the application can query them via a mobile radio interface from a server.
  • the external input element 30 may represent the expansion anchors or relevant information of the connection type on a display 31.
  • the user selects a connection type via an input key 32 or a touch-sensitive display 31.
  • the external input element 30 transmits the type designation or parameters of the selected connection type relevant to the control method to the impact wrench 1 via a communication interface 33 to the communication interface 29 of the impact wrench 1.
  • the communication interface 29 is preferably radio-based, eg using a Bluetooth standard.
  • the internal input element 28 or the external input element 30 may be provided with a camera 34 which can detect a bar code on a packaging of the type of connection.
  • the input element 28 determines the connection type based on the detected bar code and that in the memory 25 deposited bar codes.
  • a camera 34 a laser-based bar code reader, an RFID reader, etc. may be used to detect a label on the package or on the type of connection.
  • an image processing in the input element 28 can recognize the connection type based on an image captured by the camera 34, or at least delimit a selection of connection types presented to the user based on the image.
  • Fig. 3 shows an expansion anchor 35 which anchored in a wall 36 attaches an attachment 37 to the wall 36.
  • the expansion anchor 35 has an anchor rod 38. At one end of the anchor rod 38 is a screw head 21. At a screw head 21 remote from the end of a spreading mechanism 39 is provided.
  • the spreading mechanism 39 is inserted into a borehole in the wall 36. A tensile stress acting on the spreading mechanism 39 by the screw head 21 is translated by the spreading mechanism 39 into a radial clamping force against the inner wall of the borehole.
  • the expansion anchor 35 acts self-locking, since an increasing tensile load on the expansion anchor 35 through the attachment 37 leads to a higher clamping force.
  • the expansion anchor 35 is pretensioned during setting by means of the screw head 21.
  • the expansion anchor 35 is specified with a desired torque with which the screw head 21 is to be tightened when setting.
  • a manual setting operation of the expansion anchor 35 provides the following.
  • a borehole is drilled in the wall 36 according to the specifications of the expansion anchor 35.
  • the specification specifies the diameter of the borehole, which is equal to the outer diameter of the spreading mechanism 39.
  • the spreading mechanism 39 is driven into the borehole, typically with hammer strokes.
  • the attachment 37 is positioned on the screw head 21.
  • the screw head 21 is tightened manually by means of a torque wrench.
  • the torque wrench When tightening the screw head 21 is supported indirectly via the attachment 37 on the wall 36 along the anchor rod 38, whereby the tension is generated.
  • the screw head 21 is then released again, for example, to align the attachment 37.
  • the user subsequently tightens the screw head 21 again with the torque wrench and the same specified setpoint torque.
  • multiple expansion anchors 35 are necessary to secure the attachment 37.
  • the user may first bias each of the expansion anchors 35 slightly before the expansion anchors 35 are attracted to the target torque accordingly.
  • the user can be interrupted when tightening a Spreizankers 35, whereupon the user hopefully continues the process later with the torque wrench.
  • the spreading mechanism 39 is based, for example, on a sleeve 40 and a cone 41 on the anchor rod 38.
  • the sleeve 40 is opposite the cone 41 along the anchor rod 38 movable.
  • the anchor rod 38 has a thinner cylindrical neck 42 which surrounds the sleeve 40.
  • An inner diameter of the sleeve 40 is greater than the outer diameter of the neck 42.
  • the outer diameter of the lateral surface decreases from a value greater than the inner diameter of the sleeve 40 to a value less than the inner diameter of the sleeve 40.
  • the specified diameter of the borehole corresponds to the outer diameter of the Sleeve 40, which is why this adheres or rubs against the inner wall of the borehole.
  • the cone 41 may be conical, wavy, pyramid-shaped.
  • An essential aspect of the operation is the coefficient of friction of the sleeve 40 on the inner wall.
  • the sleeve 40 is typically made of a steel or other iron-based material.
  • the wall 36 is made of a mineral construction material, eg concrete or natural stone.
  • the screw head 21 can consist of an external thread 43 on the anchor rod 38 and a nut 22 mounted on the external thread 38.
  • the nut preferably has a hexagonal circumference.
  • the anchor rod 38 may have an internal thread into which a screw is inserted.
  • the screw has a head which protrudes radially beyond the anchor rod 38.
  • the head of the screw has a hexagonal circumference.
  • the impact wrench 1 implements a setting method for the expansion anchor 35; Operating mode "expansion anchor” (Fig. 4).
  • the setting method is suitable with the expansion anchor 35 to attach an attachment 37 to a wall 36.
  • the user drills the wellbore into the wall 36 and pushes the expansion anchor 35 into the wellbore.
  • the impact wrench 1 is characterized by generating a repetitive rotary with short-term and high torque.
  • the user selects the operating mode "expansion anchor" by means of the input element 28 and indicates the type of the expansion anchor 35.
  • control unit 24 can be deactivated; reduce its functionality to the mere inspection of the button 9 and the input element 28 et cetera.
  • the setting process begins. If necessary, the impact wrench 1 is awakened from standby mode. In a preparatory phase, it can be checked whether the user has previously selected an expansion anchor 35 by means of one of the input elements 28. If a corresponding selection has not yet been made and the control parameters are not set, the user is stopped and the impact wrench 1 remains inactive. Otherwise, the electric motor 2 is connected to the power supply.
  • the button 9 By pressing the button 9 typically begins a pre-phase, which will not be explained in the following description.
  • the torque M exerted by the impact wrench 1 will be so small that the impact mechanism will not deploy and the impact wrench 1 will continue to apply a typically increasing torque.
  • the first phase S1 of the setting process begins with the first stroke of impact wrench 1 (time t0).
  • a highly schematic profile 44 of the torque M is shown in FIG. 5.
  • the torque M exerted by the output spindle 4 is estimated.
  • the first phase S1 is terminated by default when the estimated torque M exceeds a threshold MO (C1).
  • the threshold value MO is typically lower than the setpoint torque M9 for the expansion anchor 35.
  • the electric motor 2 rotates the drive spindle 15 preferably at a predetermined first speed D1.
  • the control unit 24 can, for example, the rotational speed D of the drive spindle 15 directly with a rotary sensor 45 on the drive spindle 15 or indirectly via a rotary sensor on the electric motor. 2 determine.
  • the first rotational speed D1 is one of the control parameters associated with the expansion anchor 35. The speed has an influence on the output from the impact wrench 1 torque.
  • the hammer 10 detaches from the anvil 11 after a rotational stroke and is accelerated by the drive spindle 15 until the next rotary impact on the anvil 11. The next twist occurs when the hammer 10 is again aligned with the anvil 11.
  • the angle of rotation dF by which the output spindle 4 rotates due to the rotary stroke, is determined.
  • the output torque M corresponds to the transmitted angular momentum and the angle of rotation dF, about which the output spindle 4 rotates due to the rotation.
  • the output torque M is estimated.
  • a characteristic field can be stored, which assigns a pairing of speed D and rotation angle dF torque M or a torque describing size.
  • the angle of rotation dF is determined by a sensor 46 in the impact wrench 1.
  • the sensor 46 for example, directly detect the rotational movement of the output spindle 4 with a rotation sensor 47.
  • the rotation sensor 47 can detect marks on the output spindle 4 inductively or optically.
  • the sensor 46 may estimate the rotational angle dF of the output spindle 4 based on the rotational movement of the drive spindle 15 between two consecutive rotational strokes.
  • the drive spindle 15 rotates between the two rotational strokes by the angular distance of the claws 12, for example 180 degrees, and if the anvil 11 has rotated, in addition to the rotation angle dF of the output spindle 4.
  • the rotational shocks are detected by a rotary impact sensor 48.
  • the sensor 46 detects the angle of rotation of the drive spindle 15 in the time span between two directly successive rotational strokes.
  • the beginning and the end of the period are detected by detecting the rotational strokes by means of a rotary impact sensor 48.
  • the rotary impact sensor 48 may, for example, the increased short-term vibration associated with the rotational shock in the Capture impact wrench 1.
  • the vibration is compared, for example, with a threshold, the beginning or the end corresponds to the time of exceeding the threshold.
  • the torque sensor 48 may also be based on an acoustic microphone or infrasonic microphone that detects a peak in volume.
  • Another variant of a rotary speed sensor 48 detects the power consumption or a rotational speed fluctuation of the electric motor 2.
  • Impact wrench 1 determines the rate of change w during the first phase S1 and compares the rate of change w with a limit value w0.
  • the rate of change w is preferably averaged over a plurality of spins or a time window t, which typically extends over a plurality of spins. If the limit value wO is exceeded, the impact wrench 1 ends the first phase S1.
  • the limit value w0 is another of the control parameters associated with the expansion anchor 35.
  • the limit value wO can be stored as a rate of change.
  • the Rate of change w can also be detected by means of a predetermined time window DT and a predetermined threshold value M2 of the torque M to be reached within the time window DT.
  • the time window DT starts with the first beat t0. If the torque M exceeds the threshold value M2 within the time window DT, the first phase S1 is ended when the threshold value M2 is exceeded. Accordingly, the time window DT and the threshold value M2 are stored.
  • the so prematurely ended first phase S1 is followed by a modified phase S2b.
  • the modified phase S2b is substantially equal to the second phase S2.
  • the impact wrench 1 exerts a predetermined number N2 of turns.
  • the number N2 is significantly lower than in the second phase S2.
  • the number N2 is less than half the number N1, e.g. less than a third of the number N1.
  • a significantly lower additional torque is applied to the expansion anchor 35, as is the case in the standard second phase S2.
  • the modified second phase S2 is thus significantly shorter than the standard second phase S2. As far as a relaxation phase S3 is provided, this connects to the modified second phase S2b.
  • the rate of change w can also be monitored during the second phase S2. If the rate of change w exceeds the predetermined threshold w0, the second phase S2 is terminated prematurely and the method continues with the modified second phase S2b.
  • the user may intentionally or accidentally release the button 9 during the setting process.
  • the electric motor 2 stopped immediately or at least disconnected from the power supply.
  • the setting process is thus aborted.
  • the control method logs in the memory 25 the achieved set state. In particular, it is recorded in the memory 25 which of the three phases of the setting process has been reached. Thereafter, the impact wrench 1 can go into the standby mode SO.
  • the control method stores in the log the number of already executed drafts.
  • the predetermined number N of laps is reduced by the number of laps stored in the log.
  • the relaxation phase S3 optionally follows.
  • the control method stores in the protocol the already executed duration of the relaxation phase S3 in the event of an abort.
  • the already executed duration is read from the memory 25 and deducted from the predetermined duration.
  • the user inserts the threaded rods 55 through the aligned eyes 53. Subsequently, the nut 56 is placed. For a manual attachment, the user will tighten the nut 56 with a torque wrench until a specified torque specified for the screw connection is achieved.
  • the specification is specified by the manufacturer of the bolted joint or specified in relevant steel construction standards.
  • the setpoint torque ensures that the screw connection can not come loose under load, in particular vibrations.
  • the threaded rod 55 should not be unnecessarily stressed, or in the worst case during the tightening of the nut 56 permanently damaged.
  • the impact wrench 1 breaks off the setting process and alerts the user to the missing or incomplete preparatory step.
  • the user selects the operating mode "steel construction" and specifies the type of screw connections 52.
  • Each type of screw 52 is associated with several control parameters, which are necessary for the subsequent proper sequence of the setting process.
  • the control parameters are stored in the memory 25 to the type.
  • the control unit 24 reads out the corresponding control parameters.
  • the control parameters are preferably maintained until the user selects another type of threaded connection 52. Selecting the screw connection
  • the retroactive torque of the screw 52 may be so low that the hammer mechanism 3 is not activated. This pre-phase will not be described further below.
  • the first phase S11 of the setting process begins the first beat of the percussion mechanism 3.
  • the torque M exerted by the output spindle 4 is estimated.
  • the first phase S11 is terminated by default when the estimated torque M exceeds a threshold MO.
  • the threshold MO is typically less than the setpoint torque M9 for the threaded connection 52.
  • the estimation of the torque M is as described in connection with the phase S1 of tightening an expansion anchor.
  • the necessary control parameters are stored in the memory 25 for the screw 52.
  • the test routine C11 estimates the angle of rotation F of the screw connection starting from the first beat (time t0).
  • a course 57 of the angle of rotation F over time is compared with stored control parameters for the screw connection 52.
  • the angle of rotation F is preferably averaged from a plurality of measuring points.
  • FIG. 8 illustrates the profile 57 of the angle of rotation F.
  • the essentially stepwise increasing angle of rotation F can in practice only be detected with a strong noise.
  • the rate of increase of the angle of rotation F can be measured for each type of screw 52 from experimental series.
  • the course is essentially determined by the elastic behavior of the screw 52.
  • the construction elements 50, 51 - as far as lying flat on one another - have only a small influence on the course.
  • the control parameters describe an upper limit 58, which must not exceed the angle of rotation F during tightening. Exceeding the upper limit 58 is recognized as a non-planar superimposition.
  • the check routine causes a cancel S13 of the setting process.
  • the upper limit 58 is preferably not a fixed value but a value increasing with time or with the number of beats.
  • the check routine is preferably activated with the first beat at time t0.
  • the check routine is preferably terminated after a predetermined time DT, for example, the check routine is terminated at the end of the first phase S11.
  • the upper limit 58 can be determined for various screw connections 52, in particular different diameters of the screws, by means of test series.
  • An alternative setting method "Steel Structure II" passes through the first phase S11 and the second phase S12 as described above.
  • the number N8 of the rotational strokes for the second phase S12 is not predetermined, but is derived from the course 59 of the rotational angle F during the previous setting process.
  • An estimation routine S14 compares the course 59 of the rotation angle F over time t with a set of patterns 60 (FIG. 10).
  • the patterns 60 are typical courses of the angle of rotation F determined by test series when tightening screw connections 52 in steel construction.
  • the estimation routine S14 determines the pattern 60 closest to the current profile 59.
  • the pattern 60 is assigned the number N8 of the rotational strokes for the second phase S12 in a look-up table.
  • Fig. 10 shows an example of a course 59 in which the construction elements 51 lie flat on one another.
  • the example patterns 60 have three sections: a beginning 61, a middle 62 and an end 63.
  • the beginning has a linear course with a first slope.
  • the end has a linear course with a second slope, which is less than the first slope.
  • the center 62 is described, for example, by an exponential function with monotonically decreasing slope. Alternatively, the center may be described by other functions with continuously monotonically decreasing slope, e.g. Exponential function, hyperbola.
  • the transitions between the sections are preferably smooth.
  • the pattern has four to six degrees of freedom.
  • the estimation routine S14 preferably records the rotation angle F over the time t, starting with the first impact tO, in order to obtain measurement points for the comparison.
  • a measuring point includes the measured angle of rotation F and the associated time t.
  • the angle of rotation F can be estimated based on the angle of rotation of the drive spindle 15 between successive turns.
  • a time recording can be approximated by a chronological recording of the rotation angle F.
  • the measuring points can be stored in a buffer.
  • the estimation routine S14 adapts the pattern 60 to the measurement points. For a meaningful result of the adaptation, this is preferably carried out after a minimum number of lashes. It also proves to be advantageous to perform the adaptation at the beginning of the second phase S12, ie when the estimated torque M exceeds a threshold value MO.
  • the adaptation can be carried out repeatedly, as long as this allows the computing power of impact wrench 1.
  • the estimation routine S14 is executed only once.
  • the determined pattern 60 provides information about the elastic behavior of the screw connection 52. Based on the elastic behavior, the number N8 of necessary rotational strikes for the second phase S12 can be derived. In one embodiment, associated values for N8 are stored for the patterns 60. Instead of a look-up table, an algorithm can determine from the numbers the set number N8. As soon as the estimation routine S14 has determined the setpoint number N8 of the rotational strokes for the second phase S12, the target number N8 for the second phase S12 is determined. The setting method counts from the change from the first phase S11 to the second phase S12, the number of applied rotary strikes. Once the number N8 is reached, the setting process is ended. The beginning of the second phase S12 is preferably before setting the desired number N8.
  • the change from the first phase S11 to the second phase S12 is based on an estimate of the retroactive torque M. This estimate is subject to a significant measurement error.
  • One embodiment determines, based on the pattern 60, with which rotary impact 64 the threshold value MO has been exceeded.
  • the previously made change from the first phase S11 to the second phase S12 may have occurred at a different rotation than the rotary impact 64.
  • the estimation routine S14 may adjust the target number N8 according to the deviation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Details Of Spanners, Wrenches, And Screw Drivers And Accessories (AREA)

Abstract

Ein Steuerungsverfahren für einen Schlagschrauber zum Anziehen einer Schraubverbindung führt ansprechend auf ein Betätigen eines Tasters eine Sequenz mit den aufeinanderfolgenden Phasen aus. In einer ersten Phase übt ein Schlagwerk des Schlagschraubers wiederholt Drehschläge auf die Schraubverbindung aus und eine Schätzeinrichtung schätzt ein von dem Drehschlag auf die Schraubverbindung übertragenes Drehmoments. Die erste Phase wird beendet, wenn das geschätzte übertragene Drehmoment einen für den Spreizanker vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In einer zweiten Phase wird eine für die Schraubverbindung vorgegebene Anzahl von Drehschlägen auf die Schraubverbindung ausgeübt. Während der ersten Phase wird eine Prüfroutine ausgeführt, welche einen Drehwinkel (Φ) schätzt und die Sequenz abbricht, wenn der Drehwinkel (Φ) eine Obergrenze überschreitet.

Description

Setzverfahren für Schraubverbindung mittels Schlagschrauber
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Setzverfahren für Schraubverbindung, welches als Steuerungsverfahren für einen Schlagschrauber implementiert ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Im Stahlbau werden plattenförmige Bauelemente mit einer Schraubverbindung verbunden. Die Bauelemente liegen nur bedingt plan aufeinander, wodurch eine normierte Befestigung erschwert wird. Es ist daher vorgesehen, dass per Hand die Schraubverbindung mit einem Drehmomentschlüssel angezogen wird. Allerdings kann der Anwender das händische Anziehen vergessen oder unsachgemäß ausführt haben.
Eine Ausgestaltung eines Steuerungsverfahren für einen Schlagschrauber zum Anziehen einer Schraubverbindung führt ansprechend auf ein Betätigen eines Tasters eine Sequenz mit den aufeinanderfolgenden Phasen aus. In einer ersten Phase übt ein Schlagwerk des Schlagschraubers wiederholt Drehschläge auf die Schraubverbindung aus und eine Schätzeinrichtung schätzt ein von dem Drehschlag auf die Schraubverbindung übertragenes Drehmoments. Die erste Phase wird beendet, wenn das geschätzte übertragene Drehmoment einen für die Schraubverbindung vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In einer zweiten Phase wird eine für die Schraubverbindung vorgegebene Anzahl von Drehschlägen auf die Schraubverbindung ausgeübt oder die Schraubverbindung um einen vorgegebenen Drehwinkel gedreht. Während der ersten Phase wird eine Prüfroutine ausgeführt, welche einen Drehwinkel F schätzt und die Sequenz abbricht, wenn der Drehwinkel F eine Obergrenze überschreitet.
Eine Ausgestaltung eines Steuerungsverfahrens eines Schlagschraubers zum Anziehen einer Schraubverbindung führt ansprechend auf ein Betätigen eines Tasters eine Sequenz mit den aufeinanderfolgenden Phasen aus. In einer ersten Phase übt ein Schlagwerk des Schlagschraubers wiederholt Drehschläge auf die Schraubverbindung aus, wobei die erste Phase beendet wird, wenn das geschätzte übertragene Drehmoment einen für die Schraubverbindung vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In einer zweiten Phase wird eine für die Schraubverbindung vorgegebene Anzahl von Drehschlägen auf die Schraubverbindung ausgeübt. Eine Schätzroutine schätzt einen Verlauf eines Drehwinkel F über die Zeit. Ein Muster wird an den Verlauf anpasst und die vorgegebene Anzahl wird basierend auf dem angepassten Muster festgelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 einen Schlagschrauber
Fig. 2 ein Eingabeelement
Fig. 3 einen Spreizanker
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zu dem Betriebsmodus„Spreizanker“
Fig. 5 ein Verlauf des geschätzten Drehmoments
Fig. 6 eine Schraubverbindung von zwei Stahlplatten
Fig. 7 eine Schraubverbindung von zwei Stahlplatten
Fig. 8 einen Verlauf eines Drehwinkels
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm zu dem Betriebsmodus„Stahlbau“
Fig. 10 einen Verlauf eines Drehwinkels
Fig. 11 ein Ablaufdiagramm zu dem Betriebsmodus„Stahlbau“
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Schlagschrauber
Fig. 1 illustriert schematisch den Schlagschrauber 1. Der Schlagschrauber 1 hat einen Elektromotor 2, ein Schlagwerk 3 und eine Abtriebsspindel 4. Das Schlagwerk 3 wird von dem Elektromotor 2 kontinuierlich angetrieben. Sobald ein rückwirkendes Drehmoment der Abtriebsspindel 4 einen Schwellwert überschreitet, übt das Schlagwerk 3 wiederholt Drehimpulse (Drehschläge) mit einem zwar kurzzeitigen aber dafür mit einem sehr hohen Drehmoment auf die Abtriebsspindel 4 aus. Die Abtriebsspindel 4 dreht sich entsprechend kontinuierlich oder schrittweise um eine Arbeitsachse 5. Der Elektromotor 2 kann über eine Batterie 6 gespeist oder netzgespeist sein. Der Schlagschrauber 1 hat einen Handgriff 7, mittels welchem der Anwender den Schlagschrauber 1 während des Betriebs halten und führen kann. Der Handgriff 7 kann steif oder mittels Dämpfungselementen an einem Maschinengehäuse 8 befestigt sein. Der Elektromotor 2 und das Schlagwerk 3 sind in dem Maschinengehäuse 8 angeordnet. Der Elektromotor 2 ist mittels eines Tasters 9 ein- und ausschaltbar. Der Taster 9 ist beispielsweise unmittelbar an dem Handgriff 7 angeordnet und durch die den Handgriff umschließende Hand betätigbar.
Das beispielhafte Schlagwerk 3 hat einen Hammer 10 und einen Amboss 11. Der Hammer 10 hat Klauen 12, welche in Drehrichtung an Klauen 13 des Amboss 11 anliegen. Der Hammer 10 kann über die Klauen 12 ein kontinuierliches Drehmoment oder kurzzeitige Drehimpulse auf den Amboss 11 übertragen. Eine Schraubenfeder 14 spannt den Hammer 10 in Richtung zu dem Amboss 11 vor, wodurch der Hammer 10 mit dem Amboss 11 in Eingriff gehalten wird. Falls das Drehmoment den Schwellwert überschreitet, verschiebt sich der Hammer 10 soweit gegen die Kraft der Schraubenfeder, bis die Klauen 12 nicht mehr in Eingriff mit dem Amboss 11 sind. Der Elektromotor 2 kann den Hammer 10 in Drehrichtung beschleunigen, bis der Hammer 10 durch die Schraubenfeder 14 erneut in Eingriff mit dem Amboss 11 gezwungen wird. Die zwischenzeitlich gewonnene kinetische Energie überträgt der Hammer 10 in einem kurzen Impuls auf den Amboss 11. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Hammer 10 auf einer Antriebsspindel 15 entlang einer spiralförmigen Bahn 16 zwangsgeführt ist. Die Zwangsführung kann beispielsweise als spiralförmige Vertiefung in der Antriebsspindel 15 und einen in die Vertiefung eingreifenden Zapfen des Hammers 10 realisiert sein. Die Antriebsspindel 15 ist durch den Elektromotor 2 angetrieben.
Die Abtriebsspindel 4 steht aus dem Maschinengehäuse 8 hervor. Das herausstehende Ende bildet einen Werkzeughalter 17. Der beispielhafte Werkzeughalter 17 hat einen quadratischen Querschnitt. Eine Stecknuss 18 oder ähnliches Werkzeug kann auf den Werkzeughalter 17 aufgesteckt werden. Die Stecknuss 18 hat eine Buchse mit einem quadratischen hohlen Querschnitt, der in seinen Maßen im Wesentlichen dem Werkzeughalter 17 entspricht. Der Buchse gegenüberliegend hat die Stecknuss 18 ein Maul 20 zum Aufnehmen des Schraubkopfs 21 , d.h. der sechskantigen Mutter 22 oder einer analogen Schraube. Die Stecknuss 18 kann mittels eines Werkzeugverriegelung 23 an der Abtriebsspindel 4 gesichert sein. Die Werkzeugverriegelung 23 basiert beispielsweise auf einem Stift, welcher sowohl durch eine Bohrung in der Abtriebsspindel 4 als auch in der Stecknuss 18 gesteckt wird. Der Schlagschrauber 1 hat eine Steuerungseinheit 24. Die Steuerungseinheit 24 kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor und einen externen oder integrierten Speicher 25 realisiert sein. Anstelle eines Mikroprozessors kann die Steuerungseinheit aus äquivalenten diskreten Bauelementen, einen ASIC, ein ASSP, etc. realisiert sein.
Der Schlagschrauber 1 hat ein Eingabeelement 26, über welches der Anwender einen Betriebsmodus auswählen kann. Die Steuerungseinheit 24 steuert daraufhin den Schlagschrauber 1 entsprechend dem gewählten Betriebsmodus an. Die Steuerungssequenzen der verschiedenen Betriebsmodi können in dem Speicher 25 hinterlegt sein. Die Betriebsmodi umfassen unter Anderem ein Setzverfahren für Spreizanker und Setzverfahren für Schraubverbindungen im Stahlbau.
Das Eingabeelement 26 kann beispielsweise eine Anzeige 27 und ein oder mehrere Eingabetaster 28 beinhalten. Die Steuerungseinheit 24 kann die verschiedenen in dem Speicher 25 hinterlegten Betriebsmodi und ggf. damit assoziierten Verbindungstypen anzeigen. Der Anwender kann mittels der Eingabetaster 28 den Betriebsmodus auswählen. Zudem kann der Anwender Spezifikationen, wie Größe, Durchmesser, Länge, Soll- Drehmoment, Belastbarkeit oder Herstellerbezeichnung eines Verbindungstyps eingegeben. In einer alternativen Ausgestaltung hat der Schlagschrauber 1 eine Kommunikationsschnittstelle 29, welche mit einem externen Eingabeelement 30 kommuniziert. Das externe Eingabeelement 30 kann beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Laptop oder analoges Mobilgerät sein. Ferner kann das Eingabeelement ein Zusatzmodul sein, welches sich als Adapter zwischen Schlagschrauber 1 und Batterie 6 anordnen lässt. In einer auf dem Eingabeelement 30 ausgeführten Applikation sind mehrere Verbindungstypen hinterlegt oder die Applikation kann diese über eine Mobilfunkschnittstelle von einem Server abfragen. Das externe Eingabeelement 30 kann die Spreizanker oder relevante Informationen des Verbindungstyps auf einer Anzeige 31 darstellen. Der Anwender wählt einen Verbindungstyp über einen Eingabetaster 32 oder eine berührungsempfindliche Anzeige 31 aus. Das externe Eingabeelement 30 übermittelt die Typenbezeichnung oder für das Steuerungsverfahren relevanten Parameter des ausgewählten Verbindungstyps an den Schlagschrauber 1 via einer Kommunikationsschnittstelle 33 an die Kommunikationsschnittstelle 29 des Schlagschraubers 1. Die Kommunikationsschnittstelle 29 ist vorzugsweise funkbasiert, z.B. unter Verwendung eines Bluetooth Standards. In einer Ergänzung oder Alternative kann das interne Eingabeelement 28 oder das externe Eingabeelement 30 mit einer Kamera 34 versehen sein, welche einen Strichkode auf einer Verpackung des Verbindungstyps erfassen kann. Das Eingabeelement 28 ermittelt den Verbindungstyp basierend auf dem erfassten Strichkode und den in dem Speicher 25 hinterlegten Strichkodes. Anstelle einer Kamera 34 kann ein Laser-basierter Strichkode- Leser, ein RFID-Lesegerät, etc. verwendet werden, um ein Label an der Verpackung oder an dem Verbindungstyp zu erfassen. In einer weiteren Ausgestaltung kann eine Bildverarbeitung in dem Eingabeelement 28 den Verbindungstyp anhand eines von der Kamera 34 aufgenommenen Bildes erkennen, oder zumindest eine dem Anwender präsentierte Auswahl an Verbindungstypen basierend auf dem Bild eingrenzen.
Spreizanker
Fig. 3 zeigt einen Spreizanker 35, welcher in einer Wand 36 verankert ein Anbauteil 37 an der Wand 36 befestigt. Der Spreizanker 35 hat eine Ankerstange 38. An einem Ende der Ankerstange 38 ist ein Schraubkopf 21. An einem dem Schraubkopf 21 abgewandten Ende ist ein Spreizmechanismus 39 vorgesehen. Der Spreizmechanismus 39 ist in ein Bohrloch in der Wand 36 eingesetzt. Eine von dem Schraubkopf 21 auf den Spreizmechanismus 39 wirkende Zugspannung setzt der Spreizmechanismus 39 in eine radiale Klemmkraft gegen die Innenwand des Bohrlochs um. Der Spreizanker 35 wirkt selbsthemmend, da eine zunehmende Zugbelastung an dem Spreizanker 35 durch das Anbauteil 37 zu einer höheren Klemmkraft führt. Damit bei einem gesetzten Spreizanker 35 seine spezifizierten Belastungswerte gewährleistet sind, wird der Spreizanker 35 beim Setzen mittels des Schraubkopfs 21 vorgespannt. Der Spreizanker 35 ist mit einem Soll-Drehmoment spezifiziert, mit welchem der Schraubkopf 21 beim Setzen angezogen werden soll.
Ein manueller Setzvorgang des Spreizankers 35 sieht folgendes vor. In einem vorbereitenden Schritt wird ein Bohrloch entsprechend den Spezifikationen des Spreizankers 35 in die Wand 36 gebohrt. Die Spezifikation gibt unter Anderem den Durchmesser des Bohrlochs vor, welcher gleich dem Außendurchmesser des Spreizmechanismus 39 ist. Der Spreizmechanismus 39 wird, typischerweise mit Drehschlägen eines Hammers, in das Bohrloch eingetrieben. Das Anbauteil 37 wird auf dem Schraubkopf 21 positioniert. Anschließend wird der Schraubkopf 21 händisch mittels eines Drehmomentschlüssels angezogen. Beim Anziehen stützt sich der Schraubkopf 21 mittelbar über das Anbauteil 37 an der Wand 36 längs der Ankerstange 38 ab, wodurch die Zugspannung erzeugt wird. Der Anwender beendet, das Anziehen, wenn der Drehmomentschlüssel signalisiert, dass das spezifizierte Soll-Drehmoment des Spreizankers 35 erreicht ist. In manchen Anwendungen wird der Schraubkopf 21 anschließend nochmals gelöst, beispielsweise um das Anbauteil 37 auszurichten. Der Anwender zieht den Schraubkopf 21 danach nochmals mit dem Drehmomentschlüssel und dem gleichen spezifizierten Soll-Drehmoment an. In anderen Anwendungen sind mehrere Spreizanker 35 notwendig, um das Anbauteil 37 zu befestigten. Der Anwender kann zunächst jeden der Spreizanker 35 etwas Vorspannen, bevor die Spreizanker 35 dem Soll-Drehmoment entsprechend angezogen werden. Ferner kann der Anwender beim Anziehen eines Spreizankers 35 unterbrochen werden, worauf der Anwender hoffentlich den Vorgang später mit dem Drehmomentschlüssel fortsetzt.
Der Spreizmechanismus 39 basiert beispielsweise auf einer Hülse 40 und einem Konus 41 an der Ankerstange 38. Die Hülse 40 ist gegenüber dem Konus 41 längs der Ankerstange 38 beweglich. In der beispielhaften Darstellung hat die Ankerstange 38 einen dünneren zylindrischen Hals 42, welchen die Hülse 40 umschließt. Ein Innendurchmesser der Hülse 40 ist größer als der Außendurchmesser des Halses 42. Angrenzend an die Hülse 40, auf der von dem Schraubkopf 21 abgewandte Seite der Hülse 40 ist der Konus 41 angeordnet. Die Mantelfläche des Konus 41 verjüngt sich in Richtung zu der Hülse 40. Der Außendurchmesser der Mantelfläche verringert sich von einem Wert größer als der Innendurchmesser der Hülse 40 auf einen Wert geringer als der Innendurchmesser der Hülse 40. Der spezifizierte Durchmesser des Bohrlochs entspricht dem Außendurchmesser der Hülse 40, weshalb diese an der Innenwand des Bohrlochs haftet oder reibt. Beim Anziehen an der Ankerstange 38 und damit an dem Konus 41 , bleibt die Hülse 40 stehen, während der Konus 41 in die Hülse 40 hineingezogen wird. Der Konus 41 weitet die Hülse 40 auf. Hülse 40 und Konus 41 können vielfältig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Hülse 40 mit mehreren dem Konus 41 zugewandten Laschen versehen sein. Die Hülse 40 kann umlaufend geschlossen oder geschlitzt sein. Ferner kann der Konus 41 kegelförmig, gewellt, pyramidenförmig geformt sein. Ein wesentlicher Aspekt für die Funktionsweise ist der Reibwert der Hülse 40 an der Innenwand. Die Hülse 40 ist typischerweise aus einem Stahl oder ein anderen eisenbasierten Material. Die Wand 36 ist aus einem mineralischen Bauwerkstoff, z.B. Beton oder Naturstein. Der Schraubkopf 21 kann beispielhaft aus einem Außengewinde 43 an der Ankerstange 38 und einer auf dem Außengewinde 38 aufgesetzten Mutter 22 bestehen. Die Mutter hat vorzugsweise einen sechseckigen Umfang. Alternativ kann die Ankerstange 38 ein Innengewinde aufweisen, in welches eine Schraube eingesetzt ist. Die Schraube hat einen Kopf, der radial über die Ankerstange 38 hinaussteht. Der Kopf der Schraube hat beispielsweise einen sechseckigen Umfang.
Steuerungsverfahren„Spreizanker'
Der Schlagschrauber 1 implementiert ein Setzverfahren für den Spreizanker 35; Betriebsmodus„Spreizanker“ (Fig. 4). Das Setzverfahren ist geeignet mit dem Spreizanker 35 ein Anbauteil 37 an einer Wand 36 zu befestigen. In einem vorbereitenden Schritt bohrt der Anwender das Bohrloch in die Wand 36 und schiebt den Spreizanker 35 in das Bohrloch. Das Anziehen des Schraubkopfs 21 erfolgt mittels des Schlagschraubers 1. Gegenüber einem kontinuierlich drehenden Elektroschrauber zeichnet sich der Schlagschrauber 1 durch das Erzeugen eines sich wiederholenden Drehschlags mit kurzzeitigen und dafür hohem Drehmoment aus. Ferner besteht zwischen einer Abtriebsspindel 4 und einem Handgriff 7 des Schlagschraubers 1 keine starre Ankopplung, weshalb ein auf den Anwender rückwirkendes Gegenmoment typischerweise deutlich geringer als der ausgeübte Drehschlag ist. Der Anwender wählt mittels des Eingabeelements 28 den Betriebsmodus „Spreizanker“ und gibt den Typ des Spreizankers 35 an.
Jedem Typus von Spreizanker sind mehrere Steuerungsparameter zugeordnet, welche für den nachfolgenden ordnungsgemäßen Ablauf des Setzverfahrens notwendig sind. Die Steuerungsparameter sind in dem Speicher 25 zu dem Typus des Spreizankers hinterlegt. Ansprechend auf die Eingabe oder Auswahl des Spreizankers 35 liest die Steuerungseinheit 24 die entsprechenden Steuerungsparameter aus. Die Steuerungsparameter werden vorzugweise solange beibehalten, bis der Anwender einen anderen Typus von Spreizanker 35 auswählt. Ein Auswählen des Spreizankers 35 vor jedem einzelnen Setzen ist nicht notwendig.
Bei einem unbetätigten Taster 9 ist der Elektromotor 2 von der Stromversorgung, z.B. der Batterie 6, getrennt. Eine Drehzahl D des Elektromotors 2 ist Null beziehungsweise fällt auf Null ab. Die Trennung kann elektromechanisch durch den Taster 9 selbst oder durch ein elektrisches Schaltelement in dem Strompfad zwischen Elektromotor 2 und der Stromversorgung erfolgen. Der Taster 9 muss von dem Anwender während des gesamten Setzvorgangs durchgehend gedrückt gehalten werden. Falls der Anwender den Taster 9 loslässt, wird der Elektromotor 2 sofort von der Stromversorgung getrennt und in Folge das Setzverfahren unterbrochen. Der Schlagschrauber 1 fällt vorzugsweise beim Lösen des Tasters 9 in einen Bereitschaftsmodus (Standby). In dem Bereitschaftsmodus reduziert der Schlagschrauber 1 seine Energieaufnahme, insbesondere für einen Batterie-gespeisten Schlagschrauber 1. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit 24 deaktiviert; seine Funktionalität auf die reine Überprüfung des Tasters 9 und des Eingabeelements 28 reduzieren et cetera. Mit Betätigen des Tasters 9 beginnt das Setzverfahren. Gegebenenfalls wird der Schlagschrauber 1 aus dem Bereitschaftsmodus geweckt. In einer vorbereitenden Phase kann geprüft werden, ob der Anwender zuvor einen Spreizanker 35 mittels eines der Eingabeelemente 28 ausgewählt hat. Falls eine entsprechende Auswahl bisher nicht vorgenommen wurde und die Steuerungsparameter nicht gesetzt sind, wird der Anwender dazu angehalten und der Schlagschrauber 1 bleibt inaktiv. Andernfalls wird der Elektromotor 2 mit der Stromversorgung verbunden.
Während bei einem kontinuierlich drehenden Schrauber das abgegebene Drehmoment recht einfach über die Leistungsaufnahme des Elektromotors und die Drehzahl der Abtriebsspindel gemessen werden kann, ist dies aufgrund der mechanischen Entkopplung zwischen der Abtriebsspindel 4 und dem Elektromotor 2 bei dem Schlagschrauber 1 nicht möglich. Eine unmittelbare Messung des abgegebenen Drehmoments mittels eines Sensors an der Abtriebsspindel ist aufgrund der hohen mechanischen Belastungen technisch sehr anspruchsvoll und nicht für den Schlagschrauber geeignet. Das Setzverfahren behilft sich mit einer groben Schätzung des ausgeübten Drehmoments M in einer ersten Phase S1 und einer nachfolgenden Korrektur in einer zweiten Phase S2. Das zweiphasige Verfahren ist robuster gegenüber a priori unbekannten Einflüssen auf das Setzverhalten, insbesondere den Einfluss der Beschaffenheit der Wand 36 auf den Setzvorgang.
Mit Betätigen des Tasters 9 beginnt typischerweise eine Vor-Phase, welche in der nachfolgenden Beschreibung nicht weiter erläutert wird. Während der Vor-Phase S1 ist das von dem Schlagschrauber 1 ausgeübte Drehmoment M so gering sein, dass der Schlagmechanismus nicht ausgelöst und der Schlagschrauber 1 kontinuierlich ein typischerweise ansteigendes Drehmoment ausübt. Die erste Phase S1 des Setzverfahrens beginnt mit dem ersten Schlag des Schlagschraubers 1 (Zeitpunkt tO). Ein stark schematisierter Verlauf 44 des Drehmoments M ist in Fig. 5 dargestellt. Während der ersten Phase S1 wird das von der Abtriebsspindel 4 ausgeübte Drehmoment M geschätzt. Die erste Phase S1 wird standardmäßig beendet, wenn das geschätzte Drehmoment M einen Schwellwert MO überschreitet (C1 ). Der Schwellwert MO ist typischerweise geringer als das Soll-Drehmoment M9 für den Spreizanker 35.
Während der ersten Phase (S1 ) dreht der Elektromotor 2 die Antriebsspindel 15 vorzugsweise mit einer vorgegebenen ersten Drehzahl D1. Die Steuerungseinheit 24 kann beispielsweise die Drehzahl D der Antriebsspindel 15 unmittelbar mit einem Drehsensor 45 an der Antriebsspindel 15 oder mittelbar über einen Drehsensor an dem Elektromotor 2 bestimmen. Die erste Drehzahl D1 ist einer der dem Spreizanker 35 zugeordneten Steuerungsparameter. Die Drehzahl hat einen Einfluss auf das von dem Schlagschrauber 1 abgegebenen Drehmoment. Der Hammer 10 löst sich nach einem Drehschlag von dem Amboss 11 und wird durch die Antriebsspindel 15 bis zu dem nächsten Drehschlag auf den Amboss 11 beschleunigt. Der nächste Drehschlag erfolgt, wenn Hammer 10 wieder entsprechend zu dem Amboss 11 ausgerichtet ist. Bedingt durch die weitgehend vorgegebene Beschleunigungsstrecke resultiert eine höhere Drehzahl der Antriebsspindel 15 in einer höheren Winkelgeschwindigkeit und einem höheren Drehimpuls des Hammers 10 im Drehschlag. In einer groben Näherung wird angenommen, dass ein Großteil des Drehimpulses bei einem Drehschlag auf den Amboss 11 und die Abtriebsspindel 4 übertragen wird. In Versuchsreihen kann für verschiedene Drehzahlen der Drehimpuls oder eine den Drehimpuls beschreibende Größe ermittelt und in einem Kennlinienfeld abgelegt werden.
Während der ersten Phase S1 wird der Drehwinkel dF, um welchen sich die Abtriebsspindel 4 aufgrund des Drehschlags dreht ermittelt. Das abgegebene Drehmoment M entspricht dem übertragenen Drehimpuls und dem Drehwinkel dF, um welchen sich die Abtriebsspindel 4 aufgrund des Drehschlags dreht. Basierend auf dem ermittelten Drehwinkel dF und der näherungsweisen Korrelation von Drehimpuls und Drehzahl D wird das abgegebene Drehmoment M geschätzt. In dem Speicher 25 kann beispielsweise ein Kennlinienfeld hinterlegt sein, welches einer Paarung aus Drehzahl D und Drehwinkel dF ein Drehmoment M oder eine das Drehmoment beschreibende Größe zuordnet.
Der Drehwinkel dF wird durch eine Sensorik 46 in dem Schlagschrauber 1 ermittelt. Die Sensorik 46 kann beispielsweise unmittelbar die Drehbewegung des Abtriebsspindel 4 mit einem Drehsensor 47 erfassen. Der Drehsensor 47 kann Markierungen an der Abtriebsspindel 4 induktiv oder optisch abtasten. Alternativ oder ergänzend kann die Sensorik 46 den Drehwinkel dF der Abtriebsspindel 4 basierend auf der Drehbewegung der Antriebsspindel 15 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Drehschlägen schätzen. Die Antriebsspindel 15 dreht sich zwischen den zwei Drehschlägen um den Winkelabstand der Klauen 12, z.B. 180 Grad, und sofern sich der Amboss 11 gedreht hat, zusätzlich um den Drehwinkel dF der Abtriebsspindel 4. Die Drehschläge werden durch einen Drehschlagsensor 48 erfasst. Die Sensorik 46 erfasst dazu den Drehwinkel der Antriebsspindel 15 in der Zeitspanne zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Drehschlägen. Der Anfang und das Ende der Zeitspanne wird durch das Erfassen der Drehschläge mittels eines Drehschlagsensors 48 erfasst. Der Drehschlagsensor 48 kann beispielsweise die mit dem Drehschlag einhergehende erhöhte kurzzeitige Vibration in dem Schlagschrauber 1 erfassen. Die Vibration wird beispielsweise mit einem Schwellwert verglichen, der Anfang bzw. das Ende entspricht dem Zeitpunkt des Überschreitens des Schwellwerts. Der Drehschlagsensor 48 kann ebenso auf einem akustischen Mikrophon oder Infraschall-Mikrophon basieren, das eine Spitze in der Lautstärke erfasst. Eine weitere Variante eines Drehschlagsensors 48 erfasst die Leistungsaufnahme oder eine Drehzahlschwankung des Elektromotors 2. Die Leistungsaufnahme steigt kurzzeitig während des Drehschlages an. Der Drehwinkel der Antriebsspindel 15 kann beispielsweise aus der Drehzahl D oder den Signalen des Drehsensors 45 und der Zeitspanne errechnet werden. Der Drehwinkel dF der Abtriebsspindel 4 wird als der Drehwinkel der Antriebsspindel 15 abzüglich dem Winkelabstand der Klauen 12 bestimmt.
Der Schlagschrauber 1 vergleicht während der ersten Phase S1 fortlaufend das geschätzte Drehmoment M mit dem Schwellwert MO. Die ersten Phase S1 wird unmittelbar beendet, wenn der Schwellwert MO überschritten ist (C1 ). In einer Ausgestaltung mit der konstanten Drehzahl D1 ist der Vergleich des Drehmoments M mit dem Schwellwert MO äquivalent zu einem Vergleich des Drehwinkels pro Drehschlag dF mit einem Schwellwert pro Drehschlag dFO. In dem Speicher 25 kann zu einem Spreizanker 35 eine Paarung aus einer Drehzahl D1 und einem zu unterschreitenden Drehwinkel dFO hinterlegt sein. Die erste Phase S1 wird beendet, wenn der Schraubkopf 21 sich nur noch wenig dreht. Die Erfassung des Drehwinkels dF wird zunehmend ungenau. Ebenso nimmt die Korrelation zwischen Drehzahl und Drehimpuls ab.
An die erste Phase S1 schließt sich unmittelbar die zweite Phase S2. Die Drehzahl D der Antriebsspindel 15 kann weiterhin auf die erste Drehzahl D1 geregelt sein. Während der zweiten Phase wird eine vorgegebene Anzahl N1 von Drehschlägen ausgeübt. Die Anzahl N1 der Drehschläge ist ein weiterer für den Spreizanker spezifischer Steuerungsparameter. Mit der Anzahl N1 der Drehschläge wird das Soll-Drehmoment M9 des Spreizankers 35 näherungsweise erreicht. Nach der ersten Phase S1 ist der Drehwinkel dF für jeden weiteren Drehschlag näherungsweise gleich. Die Anzahl N1 der Drehschläge entspricht somit einem Drehen um einen vorgegebenen Drehwinkel DF1. Unter Annahme eines elastischen Verhaltens des Spreizankers 35 ist die zusätzliche Zugspannung des Spreizankers 35 weitgehend proportional zu dem Drehwinkel DF1. Die Zugspannung kann somit dosiert über die Anzahl N1 der Drehschläge eingestellt werden. Die notwendige Anzahl N1 von Drehschlägen bzw. der Drehwinkel dF lassen sich in Versuchsreihen für den Spreizanker 35 und den Schlagschrauber 1 und die vorgegebene Drehzahl D1 der zweiten Phase S2 ermitteln und in dem Speicher 25 hinterlegen. Während der zweiten Phase S2 wird die Anzahl N der ausgeübten Drehschläge gezählt. Das Erkennen der Drehschläge kann wie oben ausgeführt beispielsweise mittels eines Drehschlagsensors 48 erfolgen. Die zweite Phase S2 wird unmittelbar beendet, wenn die Anzahl N von Drehschlägen die Sollzahl N1 erreicht (C2).
An die zweite Phase S2 schließt sich vorzugsweise eine Relaxationsphase S3 an. Die Wiederholungsrate der Drehschläge wird gegenüber der zweiten Phase S2 reduziert. Die Drehzahl D wird auf eine zweite Drehzahl D2 abgesenkt. Die zweite Drehzahl D2 ist geringer als die erste Drehzahl D1. Insbesondere liegt die zweite Drehzahl D2 unterhalb der kritischen Drehzahl, welche der Schlagschrauber 1 zum Erreichen des Soll-Drehmoments benötigt. Die zweite Drehzahl D2 liegt beispielsweise zwischen 50 % und 80 % der ersten Drehzahl D1. Die Relaxationsphase S3 ist vorzugsweise zeitgesteuert. Eine Dauer T1 der Relaxationsphase S3 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 Sekunden [s] und 5 s.
Das zuvor beschriebene zwei-phasige oder drei-phasige Setzverfahren ist geeignet einen Spreizanker 35 anzuziehen, unmittelbar nachdem dieser in das Bohrloch eingesetzt wurde. Es kann Vorkommen, dass für das nachträgliche Ausrichten des Anbauteils 37 der Anwender den verspannten Spreizanker 35 lösen und nachträglich nochmals anziehen wird. Ein nochmaliges Durchlaufen der zwei Phasen bzw. drei Phasen könnte allerdings den Spreizanker 35 oder sogar den Untergrund schädigen.
Daher hat des Setzverfahren in dem Betriebsmodus„Spreizanker“ eine Prüfroutine, welche zumindest während der ersten Phase S1 ermittelt, ob der Spreizanker 35 bereits einmal angezogen war. Die beispielhafte Prüfroutine ermittelt eine Änderungsrate w des geschätzten Drehmoments M. Wie bereits beschrieben nimmt das Drehmoment M von Drehschlag zu Drehschlag zu. Die Änderungsrate w, d.h. die Zunahme des Drehmoments M zwischen aufeinanderfolgenden Drehschlägen oder gemittelt über mehrere Drehschläge, erweist sich als robustes Kennzeichen, welches zwischen einem noch nie angezogenen Spreizanker 35 und einem nochmals gelösten Spreizanker 35 diskriminiert. Ein Verlauf 49 des geschätzten Drehmoments M für einen zuvor gelösten Spreizanker 35 ist in Fig. 5 gezeigt. Die Änderungsrate w ist bei dem nochmals gelösten Spreizanker 35 (Verlauf 49) charakteristisch größer als in dem anderen Fall 44. Der Schlagschrauber 1 ermittelt während der ersten Phase S1 die Änderungsrate w und vergleicht die Änderungsrate w mit einem Grenzwert wO. Die Änderungsrate w wird vorzugsweise über mehrere Drehschläge oder ein Zeitfenster öT, das sich typischerweise über mehrere Drehschläge erstreckt, gemittelt. Wird der Grenzwert wO überschritten, beendet der Schlagschrauber 1 die erste Phase S1. Der Grenzwert wO ist ein weiterer der Steuerungsparameter, welche dem Spreizanker 35 zugeordnet sind. Der Grenzwert wO kann als Änderungsrate hinterlegt sein. Die Änderungsrate w kann auch mittels eines vorgegebenen Zeitfensters DT und einem innerhalb des Zeitfensters DT zu erreichenden vorgegebenen Schwellwert M2 des Drehmoments M erfasst werden. Das Zeitfenster DT beginnt mit dem ersten Schlag tO. Übersteigt das Drehmoment M den Schwellwert M2 noch innerhalb des Zeitfensters DT wird die erste Phase S1 mit Überschreiten des Schwellwerts M2 beendet. Entsprechend ist das Zeitfenster DT und der Schwellwert M2 hinterlegt.
An die derart vorzeitig beendete erste Phase S1 schließt sich eine modifizierte Phase S2b an. Die modifizierte Phase S2b ist im Wesentlichen gleich zu der zweiten Phase S2. Der Schlagschrauber 1 übt eine vorgegebene Anzahl N2 von Drehschlägen aus. Die Anzahl N2 ist deutlich geringer als in der zweiten Phase S2 Die Anzahl N2 ist geringer als die Hälfte der Anzahl N1 , z.B. geringer als ein Drittel der Anzahl N1. Durch die modifizierte zweite Phase S2b wird ein deutlich geringeres zusätzliches Drehmoment auf den Spreizanker 35 ausgeübt, als dies bei der standardmäßigen zweiten Phase S2 der Fall ist. Die modifizierte zweite Phase S2 ist dadurch deutlich kürzer als die standardmäßige zweite Phase S2. Soweit eine Relaxationsphase S3 vorgesehen ist, schließt sich diese an die modifizierte zweite Phase S2b an.
In einer Ausgestaltung kann auch während der zweiten Phase S2 die Änderungsrate w überwacht werden. Falls die Änderungsrate w den vorgegebenen Schwellwert wO überschreitet, wird die zweite Phase S2 vorzeitig beendet und das Verfahren setzt mit der modifizierten zweiten Phase S2b fort.
Der Anwender kann den Taster 9 während des Setzvorgangs absichtlich oder versehentlich loslassen. Der Elektromotor 2 sofort gestoppt oder zumindest von der Stromversorgung getrennt. Das Setzverfahren ist somit abgebrochen. Das Steuerungsverfahren protokolliert in dem Speicher 25 den erreichten Setzzustand. Insbesondere wird in dem Speicher 25 festgehalten, welche der drei Phasen des Setzvorgangs erreicht ist. Danach kann der Schlagschrauber 1 in den Bereitschaftsmodus SO übergehen.
Das Steuerungsverfahren ermöglicht dem Anwender den Setzvorgang abzuschließen. In einer Ausführung wird der Anwender beispielsweise über die Anzeige 27 aufgefordert den Setzvorgang abzuschließen. Der Anwender kann mittels des Eingabeelements 28 auswählen, ob der Setzvorgang mit dem nächsten Betätigen des Tasters 9 fortgesetzt werden soll oder alternativ ein standardmäßiger neuer Setzvorgang erfolgen soll. Die Aufforderung kann beispielsweise erscheinen, wenn der Anwender den Taster 9 erneut andrückt. Alternativ kann die Anzeige 27 die Aufforderung dem Anwender permanent signalisieren. Der Anwender kann die Aufforderung mittels des Eingabeelements 28 beantworten. Alternativ kann dem Modus „Setzvorgang fortsetzen“ dem Taster 9 ein Betätigungsmuster zugeordnet sein. Beispielsweise entspricht ein zweimaliges Antippen vor dem vollständigen Durchdrücken des Tasters 9 der Auswahl „Setzvorgang fortsetzen“, während das sofortige Durchdrücken des Tasters 9 der Auswahl„standardmäßiger neuer Setzvorgang“ entspricht. Falls der Anwender nicht innerhalb einer Wartedauer auf die Aufforderung reagiert, z.B. innerhalb von 30 s, kehrt das Steuerungsverfahren in seinen standardmäßigen Betrieb und wird den nächsten Setzvorgang entsprechend einem standardmäßigen neuen Setzvorgang durchführen.
Der standardmäßige neue Setzvorgang erfolgt nach den oben beschriebenen zwei oder drei Phase. Falls der Anwender ein Fortsetzen des Setzvorgangs anfordert, wird das obige Setzverfahren in Abhängigkeit des bereits erreichten Setzzustands modifiziert.
Falls Setzvorgang während der ersten Phase S1 abgebrochen wurde, beginnt das Setzverfahren von neu, d.h. mit der ersten Phase S1. Das Drehmoment M wird geschätzt bzw. der Drehwinkels dF jeden Drehschlags ermittelt, bis die Abbruchbedingung für die erste Phase S1 erreicht ist und worauf sich die nachfolgenden Phasen anschließen.
Falls der Setzvorgang während der zweiten Phase S2 abgebrochen wurde, werden nur noch die fehlenden Drehschläge ausgeführt. Das Steuerungsverfahren legt dazu in dem Protokoll die Anzahl der bereits ausgeführten Drehschläge ab. Bei dem Fortsetzen wird die vorgegebene Anzahl N Drehschläge um die in dem Protokoll hinterlegte Anzahl von Drehschlägen reduziert. Die Relaxationsphase S3 schließt sich gegebenenfalls an.
Falls der Setzvorgang währen der Relaxationsphase S3 unterbrochen wurde, kann diese um die bereits ausgeführte Dauer vor dem Abbruch gekürzt werden. Das Steuerungsverfahren legt dazu in dem Protokoll die bereits ausgeführte Dauer der Relaxationsphase S3 bei einem Abbruch ab. Bei dem Fortsetzen wird die bereits ausgeführte Dauer aus dem Speicher 25 ausgelesen und von der vorgegebenen Dauer abgezogen. Stahlbau
Fig. 6 zeigt schematisch eine Schraubverbindung von zwei Konstruktionselementen 50, 51 für den Stahlbau im Bauingenieurwesen. Die beiden Konstruktionselemente 50, 51 sollen belastbar mittels ein oder mehreren Schraubverbindungen 52 verbunden werden. Die Konstruktionselemente 50, 51 können beispielsweise Träger, Platten, Rohre, Flansche, etc. umfassen. Die Konstruktionselemente sind aus Stahl oder anderen metallischen Materialien. Die Konstruktionselemente 50, 51 sind in der Darstellung auf ihre sich berührenden plattenförmigen Abschnitte reduziert. In den Abschnitten sind ein oder mehrere Augen 53 vorgesehen. Die Augen 53 der beiden Konstruktionselemente werden durch den Anwender aneinander ausgerichtet.
Die Schraubverbindungen 52 können einen typischen Aufbau mit einem Schraubenkopf 54 an einer Gewindestange 55 und einer Schraubenmutter 56 aufweisen. Während die Gewindestange 55 einen geringeren Durchmesser als die Augen 53 aufweist, haben der Schraubenkopf 54 und die Schraubenmutter 56 einen größeren Durchmesser als das Auge 53. Die Gewindestangen können bei anderen Schraubverbindung bereits mit dem ersten Konstruktionselement 50 verbunden sein.
Der Anwender steckt die Gewindestangen 55 durch die ausgerichteten Augen 53. Anschließend wird die Schraubenmutter 56 aufgesetzt. Bei einer manuellen Befestigung zieht der Anwender die Schraubenmutter 56 mit einem Drehmomentschlüssel an, bis ein für die Schraubverbindung spezifiziertes Soll-Drehmoment erreicht ist. Die Spezifikation wird von dem Hersteller der Schraubverbindung angegeben oder ist in einschlägigen Normen für das Stahlbauwesen spezifiziert. Das Soll-Drehmoment gewährleistet, dass sich die Schraubverbindung unter Belastung, insbesondere Vibrationen, nicht lösen kann. Andererseits soll die Gewindestange 55 nicht unnötig belastet werden, oder im schlimmsten Fall während des Anziehens der Schraubenmutter 56 dauerhaft beschädigt werden.
Ein Anziehen der Schraubverbindungen 52 mit einem Drehmomentschlüssel ist verlässliches und robustes Verfahren, allerdings ist das Verfahren arbeitsintensiv. Zumal häufig die Schraubverbindung 52 typischerweise viele Schrauben beinhaltet. Die Schraubverbindungen 52 könnten grundsätzlich mit einem klassischen Elektroschrauber und einer entsprechenden Abschaltung bis Erreichen des Soll-Drehmoments angezogen werden. Allerdings kann der Anwender die notwendige Haltekraft für das Soll-Drehmoment nicht aufbringen und es besteht ein erhebliches Verletzungsrisiko für den Anwender. Steuerungsverfahren„Stahlbau
Der Schlagschrauber 1 implementiert ein robustes Setzverfahren für die Schraubverbindung 52. Der Anwender richtet die Konstruktionselemente 51 aneinander aus, steckt die Gewindestangen 55 durch das zweite Konstruktionselemente 51 und setzt die Schraubenmuttern 56 auf. Die Konstruktionselemente 50, 51 liegen gelegentlich nicht plan aufeinander, wie beispielhaft in Fig. 7 illustriert. Der Anwender hat in einem vorbereitenden Schritt dafür Sorge zu tragen, dass die Konstruktionselemente 50, 51 im Bereich der Schraubverbindung 52 plan aufeinanderliegen. Dazu kann der Anwender eine oder mehrere der Schraubenmuttern 56 per Hand anziehen. Das Anzugsmoment kann geringer als das Soll-Drehmoment M der Schraubverbindung 52 bleiben. Eine Verwendung eines Drehmomentschlüssels ist optional. Anschließend zieht der Anwender die Schraubverbindungen 52 mit dem Schlagschrauber 1 an, welcher die Schraubverbindungen 52 bis zu dem Soll-Drehmoment M anzieht. Sofern anfangs die Konstruktionselemente 50,
51 nicht plan aufeinanderliegen, bricht der Schlagschrauber 1 den Setzvorgang ab und weist den Anwender auf den fehlenden oder unvollständig durch geführten vorbereitenden Schritt hin. Der Anwender wählt hierzu den Betriebsmodus„Stahlbau“ aus und spezifiziert den Typ der Schraubverbindungen 52.
Jedem Typus von Schraubverbindung 52 sind mehrere Steuerungsparameter zugeordnet, welche für den nachfolgenden ordnungsgemäßen Ablauf des Setzverfahrens notwendig sind. Die Steuerungsparameter sind in dem Speicher 25 zu dem Typus hinterlegt. Ansprechend auf die Eingabe oder Auswahl der Schraubverbindung 52 liest die Steuerungseinheit 24 die entsprechenden Steuerungsparameter aus. Die Steuerungsparameter werden vorzugweise solange beibehalten, bis der Anwender einen anderen Typus von Schraubverbindung 52 auswählt. Ein Auswählen der Schraubverbindung
52 vor jedem einzelnen Setzen ist nicht notwendig.
Bei einem unbetätigten Taster 9 ist der Elektromotor 2 von der Stromversorgung, z.B. der Batterie 6, getrennt und dreht nicht. Der Schlagschrauber 1 fällt vorzugsweise beim Lösen des Tasters 9 in einen Bereitschaftsmodus. Mit Betätigen des Tasters 9 beginnt das Setzverfahren. In einer vorbereitenden Phase kann geprüft werden, ob der Anwender zuvor den Typ der Schraubverbindung 52 mittels eines der Eingabeelemente 28 ausgewählt hat. Falls eine entsprechende Auswahl bisher nicht vorgenommen wurde und die Steuerungsparameter nicht gesetzt sind, wird der Anwender dazu angehalten und der Schlagschrauber 1 bleibt inaktiv. Andernfalls wird der Elektromotor 2 mit der Stromversorgung verbunden. Ansprechend auf ein Betätigen des Tasters 9 wird die Antriebsspindel 15 beschleunigt. Die Spindel wird auf eine Soll-Drehzahl Do beschleunigt. Anfangs kann das rückwirkende Drehmoment der Schraubverbindung 52 so gering sein, dass das Schlagwerk 3 nicht aktiviert wird. Diese Vor-Phase wird nachfolgend nicht weiter beschrieben. Die erste Phase S11 des Setzverfahrens beginnt dem ersten Schlag des Schlagwerks 3. Während der ersten Phase S11 wird das von der Abtriebsspindel 4 ausgeübte Drehmoment M geschätzt. Die erste Phase S11 wird standardmäßig beendet, wenn das geschätzte Drehmoment M einen Schwellwert MO überschreitet. Der Schwellwert MO ist typischerweise geringer als das Soll- Drehmoment M9 für die Schraubverbindung 52. Die Schätzung des Drehmoments M erfolgt wie im Zusammenhang mit der Phase S1 dem Anziehen eines Spreizankers beschrieben. Die hierfür notwendigen Steuerungsparameter sind in dem Speicher 25 für die Schraubverbindung 52 hinterlegt.
An die erste Phase S11 schließt sich unmittelbar die zweite Phase S12 an. Die Drehzahl D der Antriebsspindel 15 kann weiterhin auf die Soll-Drehzahl Do geregelt werden. Während der zweiten Phase wird eine vorgegebene Anzahl N3 von Drehschlägen ausgeübt. Die Anzahl N3 der Drehschläge ist ein weiterer für den Spreizanker spezifischer Steuerungsparameter. Mit der Anzahl N3 der Drehschläge wird das Soll-Drehmoment der Schraubverbindung 52 näherungsweise erreicht. Die zweite Phase S12 entspricht weitgehend der zweiten Phase S2 beim Setzen eines Spreizankers 35. Anstelle die Anzahl der Drehschläge N3 zu zählen, kann ein Drehwinkel geschätzt werden, um welchen die Schraubverbindung 52, typischerweise die Schraubenmutter 56, gedreht wird. Die zweite Phase S12 wird beendet, wenn ein vorgegebenen Drehwinkel überschritten ist.
Das beschriebene zwei-phasige Setzverfahren „Stahlbau“ ist geeignet eine Schraubverbindung 52 zum Verbinden von zwei Stahl-Konstruktionselemente 50, 51 anzuziehen, sofern diese plan aufeinander liegen. Während der ersten Phase S11 ist eine Prüfroutine C1 aktiv, welche schätzt, ob die Stahl-Konstruktionselemente 50, 51 plan aufeinanderliegen. Falls die Prüfroutine C1 ein planes-Aufeinanderliegen ermittelt, wird das Setzverfahren mit den oben beschriebenen Phasen bis zum Ende durchgeführt. Falls die Prüfroutine ein planes Aufeinanderliegen verneint, wird eine Schutzroutine S13 ausgeführt. Die Schutzroutine S13 kann in einer einfachen Umsetzung das Setzverfahren unmittelbar abbrechen. Die Anzeige 27 des Schlagschraubers 1 kann einen entsprechenden Hinweis ausgeben, weshalb das Setzverfahren abgebrochen wurde. Die Prüfroutine C11 schätzt den Drehwinkel F der Schraubverbindung beginnend ab dem ersten Schlag (Zeitpunkt tO). Ein Verlauf 57 des Drehwinkels F über die Zeit wird mit hinterlegten Steuerparametern zu der Schraubverbindung 52 verglichen. Der Drehwinkel F wird vorzugsweise aus mehreren Messpunkten gemittelt. Fig. 8 illustriert den Verlauf 57 des Drehwinkels F. Der im Wesentlichen stufenweise zunehmende Drehwinkel F lässt sich in der Praxis nur mit einem starken Rauschen behaftet erfassen. Die Anstiegsrate des Drehwinkels F kann für jeden Typ der Schraubverbindung 52 aus Versuchsreihen gemessen werden. Der Verlauf ist im Wesentlichen durch das elastische Verhalten der Schraubverbindung 52 bestimmt. Die Konstruktionselemente 50, 51 - soweit plan aufeinanderliegend - haben nur einen geringen Einfluss auf den Verlauf. Hingeben bei nicht plan aufeinanderliegenden Konstruktionselementen 50, 51 dominieren deren Steifigkeit und ein Spalt zwischen den Konstruktionselementen 50, 51 die Steifigkeit des Gesamtsystems. Die Steifigkeit ist typischerweise verringert. Bei gleicher Schlagleistung wird ein größerer Fortschritt des Drehwinkels F pro Zeit beobachtet. Die Steuerparameter beschreiben eine Obergrenze 58, welche der Drehwinkel F während des Anziehens nicht überschreiten darf. Ein Überschreiten der Obergrenze 58 wird als ein nicht planes Aufeinanderliegen erkannt. Die Prüfroutine veranlasst ein Abbrechen S13 des Setzvorgangs. Die Obergrenze 58 ist vorzugsweise kein fester Wert, sondern ein mit der Zeit oder mit der Anzahl der Schläge zunehmender Wert. Die Prüfroutine wird vorzugsweise mit dem ersten Schlag zum Zeitpunkt tO aktiviert. Die Prüfroutine wird vorzugsweise nach einer vorgegebenen Zeitspanne DT beendet, beispielsweise wird die Prüfroutine mit Ende der ersten Phase S11 beendet. Die Obergrenze 58 kann für verschiedene Schraubverbindungen 52, insbesondere verschiedene Durchmesser der Schrauben, mittels Versuchsreihen ermittelt werden.
Stahlbau II
Ein alternatives Setzverfahren„Stahlbau II“ durchläuft wie zuvor beschrieben die erste Phase S11 und die zweite Phase S12. Allerdings ist die Anzahl N8 der Drehschläge für die zweite Phase S12 nicht vorab festgelegt, sondern wird aus dem Verlauf 59 des Drehwinkels F während des bisherigen Setzvorgangs abgeleitet. Eine Schätzroutine S14 vergleicht den Verlauf 59 des Drehwinkels F über die Zeit t mit einer Schaar von Mustern 60 (Fig. 10). Die Muster 60 sind aus Versuchsreihen ermittelte typische Verläufe des Drehwinkels F beim Anziehen von Schraubverbindungen 52 im Stahlbau. Die Schätzroutine S14 ermittelt das dem aktuellen Verlauf 59 nächstkommende Muster 60. Zu dem Muster 60 ist die Anzahl N8 der Drehschläge für die zweite Phase S12 in einer Nachlagetabelle zugeordnet.
Fig. 10 zeigt beispielhaft einen Verlauf 59 bei welchem die Konstruktionselemente 51 plan aufeinanderliegen. Die beispielhaften Muster 60 haben drei Abschnitte: einen Anfang 61 , eine Mitte 62 und ein Ende 63. Der Anfang hat einen linearen Verlauf mit einer ersten Steigung. Das Ende hat einen linearen Verlauf mit einer zweiten Steigung, welche geringer als die erste Steigung ist. Die Mitte 62 wird beispielsweise durch eine Exponentialfunktion mit monoton abnehmender Steigung beschrieben. Alternativ kann die Mitte durch andere Funktionen mit durchgehend monoton abnehmender Steigung beschrieben werden, z.B. Exponentialfunktion, Hyperbel. Die Übergänge zwischen den Abschnitten sind vorzugsweise glatt. Das Muster hat vier bis sechs Freiheitsgrade. Die Freiheitsgrade sind oder beschreiben unter Anderem die Steigung des Anfangs, die Steigung des Endes, die Dauer des Anfangs und die Dauer der Mitte. Der Vergleich des Verlaufs mit dem Muster kann mit einer Ausgleichsrechnung (Fit) erfolgen, in welcher die Zahlenwerte für die Freiheitsgrade variiert werden, z.B. unter Verwendung der Methode kleinster Quadrate. Die Muster 60 werden zweckmäßigerweise für unterschiedliche Typen von Schraubverbindungen 52 in einem Speicher 25 bereitgestellt. Der Anwender gibt vorzugsweise vor dem Anziehen der Schraubverbindung 52 den Typ über das Eingabeelement 28 ein. Die Schätzroutine S14 begrenzt die Anpassung auf die zu dem ausgewählten Typ zugehörigen Muster 60 ein.
Die Schätzroutine S14 zeichnet vorzugsweise beginnend mit dem ersten Schlag tO den Drehwinkel F über die Zeit t auf, um Messpunkte für den Vergleich zu erhalten. Ein Messpunkt beinhaltet den gemessenen Drehwinkel F und den zugehörigen Zeitpunkt t. Der Drehwinkel F kann basierend auf dem Drehwinkel der Antriebsspindel 15 zwischen aufeinanderfolgenden Drehschlägen geschätzt werden. Eine Zeiterfassung kann durch eine chronologische Aufzeichnung der Drehwinkel F approximiert werden. Die Messpunkte können in einem Zwischenspeicher abgelegt werden. Die Schätzroutine S14 passt das Muster 60 an die Messpunkte an. Für ein aussagekräftiges Ergebnis der Anpassung wird diese vorzugsweise nach einer Mindestanzahl von Drehschlägen durchgeführt. Es erweist sich ebenfalls als vorteilhaft, die Anpassung mit Beginn der zweiten Phase S12 durchzuführen, d.h. wenn das geschätzte Drehmoment M einen Schwellwert MO übersteigt. Die Anpassung kann wiederholt ausgeführt werden, sofern dies die Rechenleistung des Schlagschraubers 1 ermöglicht. Alternativ wird die Schätzroutine S14 nur einmalig ausgeführt.
Die Schätzroutine S14 wird abgeschlossen, wenn eine Abweichung des Musters 60 von den Messpunkten innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt. Falls nach einer vorgegebenen Anzahl von Drehschlägen bzw. vorgegebenen Dauer eine Abweichung des Musters außerhalb einer Toleranz liegt oder die Mindestzahl von Messpunkten für das Ende des Musters unterschritten ist, wird eine Fehlermeldung ausgegeben und das Setzverfahren wird abgebrochen.
Das ermittelte Muster 60 gibt einen Aufschluss über das elastische Verhalten der Schraubverbindung 52. Basierend auf dem elastischen Verhalten lässt sich die Anzahl N8 notwendiger Drehschläge für die zweite Phase S12 ableiten. In einer Ausgestaltung sind zu den Mustern 60 zugehörige Werte für N8 hinterlegt. Anstelle einer Nachschlagetabelle kann ein Algorithmus aus den Zahlenwerten die Sollzahl N8 bestimmen. Sobald die Schätzroutine S14 die Sollzahl N8 der Drehschläge für die zweite Phase S12 ermittelt hat, wird die Sollzahl N8 für die zweite Phase S12 festgelegt. Das Setzverfahren zählt ab dem Wechsel von der ersten Phase S11 zu der zweiten Phase S12 die Anzahl ausgeübter Drehschläge. Sobald die Anzahl N8 erreicht ist, wird das Setzverfahren beendet. Der Beginn der zweiten Phase S12 liegt vorzugsweise vor dem Festlegen der Sollzahl N8.
Der Wechsel von der ersten Phase S11 zu der zweiten Phase S12 erfolgt basierend auf einer Schätzung des rückwirkenden Drehmoments M. Diese Schätzung ist mit einem signifikanten Messfehler beaufschlagt. Eine Ausgestaltung ermittelt basierend auf der Muster 60, mit welchem Drehschlag 64 der Schwellwert MO überschritten wurde. Der zuvor vorgenommene Wechsel von der ersten Phase S11 in die zweite Phase S12 kann zu einem anderen Drehschlag als dem Drehschlag 64 erfolgt sein. Die Schätzroutine S14 kann die Sollzahl N8 entsprechend der Abweichung anpassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Steuerungsverfahren eines Schlagschraubers (1 ) zum Anziehen einer
Schraubverbindung (52), welches ansprechend auf ein Betätigen eines Tasters (9) eine Sequenz mit den aufeinanderfolgenden Phasen ausführt:
eine erste Phase (S11 ), in welcher ein Schlagwerk (3) des Schlagschraubers (1 ) wiederholt Drehschläge auf die Schraubverbindung (52) ausübt und eine
Schätzeinrichtung (65) ein von dem Drehschlag auf die Schraubverbindung (52) übertragenes Drehmoments (M) schätzt, wobei die erste Phase (S11 ) beendet wird, wenn das geschätzte übertragene Drehmoment (M) einen für den Spreizanker (35) vorgegebenen Schwellwert (MO) überschreitet;
eine zweite Phase (S12), in welcher eine für die Schraubverbindung (52) vorgegebene Anzahl (N3) von Drehschlägen auf die Schraubverbindung (52) ausgeübt oder die Schraubverbindung (52) um einen vorgegebenen Drehwinkel gedreht wird;
dadurch kennzeichnet, dass während der ersten Phase (S11 ) eine Prüfroutine (C1 ) ausgeführt wird, welche einen Drehwinkel F schätzt und die Sequenz abgebrochen wird, wenn der Drehwinkel F eine Obergrenze (58) überschreitet.
2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch kennzeichnet, dass die Obergrenze (58) mit der Zahl der ausgeübten Drehschläge ab dem ersten Drehschlag zunimmt.
3. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch kennzeichnet, dass bei Abbruch der Sequenz ein Warnhinweis ausgegeben wird.
4. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
kennzeichnet, dass der Schwellwert (MO), die Anzahl (N3) von Drehschlägen und die Obergrenze (58) in Abhängigkeit einer von dem Anwender getätigten Auswahl einer Schraubverbindung (52) aus einem Speicher (25) ausgelesen werden.
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