GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Setzverfahren für Schraubverbindung, welches
als Steuerungsverfahren für einen Schlagschrauber implementiert ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
[0002] 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.
[0003] 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 den Spreizanker vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In einer zweiten
Phase wird eine für den Spreizanker 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.
[0004] 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 den
Spreizanker vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In einer zweiten Phase wird eine
für den Spreizanker vorgegebene Anzahl von Drehschlägen auf die Schraubverbindung
ausgeübt. Eine Schätzroutine schätzt einen Verlauf eines Drehwinkel Φ 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
[0005] 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"
[0006] Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den
Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Schlagschrauber
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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"
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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
t0). 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
M0 überschreitet (
C1). Der Schwellwert
M0 ist typischerweise geringer als das Soll-Drehmoment
M9 für den Spreizanker
35.
[0024] 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.
[0025] Während der ersten Phase
S1 wird der Drehwinkel δΦ, um welchen sich die Abtriebsspindel
4 aufgrund des Drehschlags dreht ermittelt. Das abgegebene Drehmoment
M entspricht dem übertragenen Drehimpuls und dem Drehwinkel δΦ, um welchen sich die
Abtriebsspindel
4 aufgrund des Drehschlags dreht. Basierend auf dem ermittelten Drehwinkel δΦ 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 δΦ ein Drehmoment
M oder eine das Drehmoment beschreibende Größe zuordnet.
[0026] Der Drehwinkel δΦ 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 δΦ 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 δΦ 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 δΦ der Abtriebsspindel
4 wird als der Drehwinkel der Antriebsspindel
15 abzüglich dem Winkelabstand der Klauen
12 bestimmt.
[0027] Der Schlagschrauber
1 vergleicht während der ersten Phase
S1 fortlaufend das geschätzte Drehmoment
M mit dem Schwellwert
M0. Die ersten Phase
S1 wird unmittelbar beendet, wenn der Schwellwert
M0 überschritten ist (
C1). In einer Ausgestaltung mit der konstanten Drehzahl
D1 ist der Vergleich des Drehmoments
M mit dem Schwellwert
M0 äquivalent zu einem Vergleich des Drehwinkels pro Drehschlag δΦ mit einem Schwellwert
pro Drehschlag δΦ0 In dem Speicher
25 kann zu einem Spreizanker
35 eine Paarung aus einer Drehzahl
D1 und einem zu unterschreitenden Drehwinkel δΦ hinterlegt sein. Die erste Phase
S1 wird beendet, wenn der Schraubkopf
21 sich nur noch wenig dreht. Die Erfassung des Drehwinkels δΦ wird zunehmend ungenau.
Ebenso nimmt die Korrelation zwischen Drehzahl und Drehimpuls ab.
[0028] 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 δΦ für jeden weiteren Drehschlag näherungsweise gleich. Die Anzahl
N1 der Drehschläge entspricht somit einem Drehen um einen vorgegebenen Drehwinkel ΔΦ1.
Unter Annahme eines elastischen Verhaltens des Spreizankers
35 ist die zusätzliche Zugspannung des Spreizankers
35 weitgehend proportional zu dem Drehwinkel ΔΦ1. Die Zugspannung kann somit dosiert
über die Anzahl
N1 der Drehschläge eingestellt werden. Die notwendige Anzahl
N1 von Drehschlägen bzw. der Drehwinkel δΦ 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).
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] 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
w0. Die Änderungsrate
w wird vorzugsweise über mehrere Drehschläge oder ein Zeitfenster δ
T, das sich typischerweise über mehrere Drehschläge erstreckt, gemittelt. Wird der
Grenzwert
w0 überschritten, beendet der Schlagschrauber
1 die erste Phase
S1. Der Grenzwert
w0 ist ein weiterer der Steuerungsparameter, welche dem Spreizanker
35 zugeordnet sind. Der Grenzwert
w0 kann als Änderungsrate hinterlegt sein. Die Änderungsrate
w kann auch mittels eines vorgegebenen Zeitfensters Δ
T und einem innerhalb des Zeitfensters Δ
T zu erreichenden vorgegebenen Schwellwert
M2 des Drehmoments
M erfasst werden. Das Zeitfenster Δ
T beginnt mit dem ersten Schlag
t0. Übersteigt das Drehmoment
M den Schwellwert
M2 noch innerhalb des Zeitfensters Δ
T wird die erste Phase
S1 mit Überschreiten des Schwellwerts
M2 beendet. Entsprechend ist das Zeitfenster ΔT und der Schwellwert
M2 hinterlegt.
[0032] 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.
[0033] In einer Ausgestaltung kann auch während der zweiten Phase
S2 die Änderungsrate
w überwacht werden. Falls die Änderungsrate
w den vorgegebenen Schwellwert
w0 überschreitet, wird die zweite Phase
S2 vorzeitig beendet und das Verfahren setzt mit der modifizierten zweiten Phase
S2b fort.
[0034] 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
S0 übergehen.
[0035] 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.
[0036] 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.
[0037] 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 δΦ jeden Drehschlags ermittelt, bis die Abbruchbedingung
für die erste Phase
S1 erreicht ist und worauf sich die nachfolgenden Phasen anschließen.
[0038] 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.
[0039] 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
[0040] 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.
[0041] 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.
[0042] 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.
[0043] 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"
[0044] 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 durchgeführten
vorbereitenden Schritt hin. Der Anwender wählt hierzu den Betriebsmodus "Stahlbau"
aus und spezifiziert den Typ der Schraubverbindungen
52.
[0045] 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.
[0046] 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.
[0047] 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
M0 überschreitet. Der Schwellwert
M0 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.
[0048] 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.
[0049] 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.
[0050] Die Prüfroutine
C11 schätzt den Drehwinkel Φ der Schraubverbindung beginnend ab dem ersten Schlag (Zeitpunkt
t0). Ein Verlauf
57 des Drehwinkels Φ über die Zeit wird mit hinterlegten Steuerparametern zu der Schraubverbindung
52 verglichen. Der Drehwinkel Φ wird vorzugsweise aus mehreren Messpunkten gemittelt.
Fig. 8 illustriert den Verlauf
57 des Drehwinkels Φ. Der im Wesentlichen stufenweise zunehmende Drehwinkel Φ lässt
sich in der Praxis nur mit einem starken Rauschen behaftet erfassen. Die Anstiegsrate
des Drehwinkels Φ 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 Φ pro Zeit
beobachtet. Die Steuerparameter beschreiben eine Obergrenze
58, welche der Drehwinkel Φ 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
t0 aktiviert. Die Prüfroutine wird vorzugsweise nach einer vorgegebenen Zeitspanne ΔT
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
[0051] 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 während des bisherigen Setzvorgangs abgeleitet. Eine Schätzroutine
S14 vergleicht den Verlauf
59 des Drehwinkels Φ über die Zeit t mit einer Schaar von Mustern
60 (Fig. 10). Die Muster
60 sind aus Versuchsreihen ermittelte typische Verläufe des Drehwinkels Φ 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.
[0052] 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.
[0053] Die Schätzroutine
S14 zeichnet vorzugsweise beginnend mit dem ersten Schlag
t0 den Drehwinkel Φ über die Zeit
t auf, um Messpunkte für den Vergleich zu erhalten. Ein Messpunkt beinhaltet den gemessenen
Drehwinkel Φ und den zugehörigen Zeitpunkt t. Der Drehwinkel Φ kann basierend auf
dem Drehwinkel der Antriebsspindel
15 zwischen aufeinanderfolgenden Drehschlägen geschätzt werden. Eine Zeiterfassung kann
durch eine chronologische Aufzeichnung der Drehwinkel Φ approximiert werden. Die Messpunkte
können in einem Zwischenspeicher abgelegt werden.
[0054] 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
M0 übersteigt. Die Anpassung kann wiederholt ausgeführt werden, sofern dies die Rechenleistung
des Schlagschraubers
1 ermöglicht. Alternativ wird die Schätzroutine
S14 nur einmalig ausgeführt.
[0055] 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.
[0056] 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.
[0057] 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
M0 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.