用于拧紧螺纹连接的方法和设备与流程

本发明涉及利用马达驱动的螺丝刀单元拧紧螺纹连接的一种方法以及一种设备，其中，在拧紧期间确定转动角度和转矩，以便在达到所期望的紧固应力时能够停止拧紧进程。

背景技术：

两个部件通常通过螺纹连接彼此连接，其中，这种螺纹连接可以包括穿过多个部件的螺栓，在螺栓上拧有螺母。替代地，这种螺纹连接还可以通过螺丝来实现，螺丝被拧入到配置在一部件中的螺纹中，无论螺纹是在盲孔中还是在通孔中。为了使两个待连接的部件以必要的预紧力彼此连接并可靠地避免螺纹连接的松动，另一方面也要避免会导致螺纹损坏的过度拧紧，螺纹连接应当被尽可能精确地用力拧紧，使得既不会低于也不会超过所期望的预紧力或者允许的范围。

对此，在现有技术中已经提出：以转矩控制或转动角度控制的方式实现螺纹连接的拧紧。在此，利用合适的传感器来监测由马达驱动的螺丝刀单元所施加的转矩，使得在达到预定的转矩时能够停止拧紧进程。替代地，也可以利用旋转编码器监测拧紧过程中的转动角度，以便在一定数量的拧紧圈数后停止。例如，专利文献ep2067576a2提出了一种螺丝刀单元，其中，首先监测转矩以确定参考值或者初始位置，用于随后继续监测转动角度。如果达到预定的初始紧固力矩，则将转动角度测量值初始化或者可以说置零，然后从那里开始旋拧一预定的另一转动角度，然后关闭。

然而，这种转矩控制或转动角度控制的拧紧方法需要适当地预先设定转矩的边界值或转动角度的边界值，这会随着不同的螺纹连接几何形状和螺纹连接材料而自然地改变。为了简化对转矩或转动角度的边界值的设置，已经提出对马达驱动的螺丝刀的控制进行参数化，使得不再必须预先设定转矩值或转动角度值，而是可以输入待进行的螺纹连接的特征量，例如螺纹连接几何形状、螺栓强度、摩擦配对系数或材料配对。然后基于计算模型，根据相应的参数确定两个中央处理特征值：转动角度和转矩，它们随后在拧紧螺纹连接时被视为控制马达驱动的螺丝刀的边界值。

但是这种可参数化的计算模型不能很容易建立并且总是容易出错。一方面，通常需要对实际部件进行各种测试，以确保所产生的旋拧结果，或者调整参数或模型算法，使得实际达到的旋拧结果符合所期望的旋拧结果。另一方面，由于错误输入了与待进行的旋拧不符的参数，可能会在旋拧结果中出现错误。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改进的用于拧紧螺纹连接的方法和一种改进的设备，其避免了现有技术的缺点并有利地进一步发展了现有技术。特别是可以实现简单的、不易出错的可操作性，同时还可以实现：对于不同的螺纹连接类型，以所期望的水平尽可能精确地预紧螺纹连接。

根据本发明的目的通过根据权利要求1的方法以及根据权利要求4的设备来实现。本发明的优选的实施例由从属权利要求给出。

因此提出：与过程同步地分析在拧紧相应的螺纹连接时出现的工艺参数转矩和转动角度，并由此推断出螺纹连接的物理性质的变化，并据此确定关停判据，以使旋拧达到所期望的预紧。这种关停将根据真实的、在相应的旋拧过程中所显示出的工艺参数可以说是在线地或在工作中被控制。根据本发明，由测定装置在第一紧固范围(anzugsbereich)内确定转矩随转动角度的升高，并且在接下来的第二紧固范围内确定转矩随转动角度的升高的变化，其中，在达到或超过该升高的最大允许变化和/或根据在第一拧紧范围内出现的升高所确定的变化速度时，由控制装置使螺丝刀单元停止运行。

根据本发明的教导是基于以下的考虑：在拧紧期间出现的转矩-转动角度曲线可以因螺纹连接而异，但是每个都遵循特定的模式。特别是，转矩-转动角度曲线在初始的弹性范围内将展现出一定的斜率或一定的升高，并且在升高中没有变化或者仅有微弱的变化，而在更强的拧紧范围内，此时螺栓接近或者达到甚或超过其屈服极限，转矩-转动角度曲线的斜率将展现出明显更强的变化。现在，如果在该弹性范围内检测或确定所展现出的转矩-转动角度曲线的相应的斜率，则可以特定于螺纹连接地预测进一步的曲线走向，或者特定于螺纹连接地推导出关停判据，随后可以在旋拧已具有所期望的预紧力时精确地中断拧紧进程。通过与过程同步地分析在拧紧时出现的过程参数转矩和转动角度，该关停判据将根据螺纹连接的个体特征自动地调整，以便根据所展现出的随转动角度的转矩升高及其变化率来确定关停判据。

在本发明的扩展方案中，可以将上述的第一紧固范围(在该范围内确定特定于螺纹连接的转矩随转动角度的升高)选择为，使得螺纹连接表现出弹性变形或应变，这例如可以根据转矩值和/或随转动角度的转矩升高来确定。例如，可以从最初的空转开始，通过随后确定特定于螺纹连接的转矩升高，评估一比弹性范围更强的第一升高。第二紧固范围(在该范围内监测随转动角度的转矩升高的变化达到或超过最大值)可以紧接着第一升高范围和/或还与其重叠。例如，确定转矩升高的第一紧固范围可以在已经监测到转矩升高的变化的同时被所谓回扫并被更长时间地观察。

特别地，可以确定随转动角度的转矩升高的最大允许变化，以使螺纹连接达到其屈服极限，或者说螺纹连接被预紧到其屈服极限。在达到屈服极限时，随转动角度的转矩升高，即转矩-转动角度曲线的斜率，将显示出特征性的变化，因此，通过确定转矩升高的最大允许变化，能够根据在初始的弹性范围内显示出的相应的升高，精确地确定达到屈服极限。如果转矩升高达到所确定的最大允许变化，则可以停止马达驱动的螺丝刀，在此，螺纹连接被预紧至屈服极限。

但是，对转矩-转动角度曲线的斜率梯度的极限判据的确定不仅可以根据在每次拧紧期间产生的、与过程同步地分析得到的转矩值和转动角度值来确定，而且还可以在考虑到之前的拧紧过程和螺纹连接的转矩-旋拧角度曲线的情况下来确定。特别是可以将在拧紧各个螺纹连接时所得出的转矩-转动角度曲线和/或由此推导出的用于停止拧紧过程的斜率梯度的极限判据存储在存储器和/或数据库中，从而可以在考虑到所存储的数据的情况下实现用于关停当前待实施的拧紧进程的极限判据。例如，在待实施的拧紧进程中，至少在开始时极限判据是能够以转矩升高的允许变化的平均值或者最后的边界值为基础的，然后，当在当前的拧紧进程中检测到随转动角度的转矩升高时显示出相对于基于初始的极限判据的数据组有较大的偏差，可以进行修正或适配。

在本发明的一种优选的扩展方案中，螺丝刀单元也可以按照一种运行模式运行，在该运行模式中，螺纹连接不是被拧紧至达到屈服极限，而是预先中断拧紧进程。例如，螺丝刀单元可以按照一个或多个试验进程运行，在这些试验进程中确定并记录所得到的转矩-转动角度曲线并与达到屈服极限进行比较，以确定关停判据，从而能够在达到屈服极限之前中断拧紧进程。例如，分析装置可以根据试验过程中所获得的转矩-转动角度曲线研究在哪里达到屈服极限，以便随后确定一转矩值和/或一转动角度值和/或转矩-转动角度曲线的某个斜率梯度作为关停判据，和/或将随转动角度的转矩升高的某个变化值确定为关停判据，在达到该关停判据时，在下一个系列过程中关停。

用于分析过程参数转矩和转动角度及其走向的测定装置可以是螺丝刀单元和/或其控制装置的集成组件。替代地或附加地，也可以配置位于设备外部的测定装置和/或分析单元，例如可连接的pc或平板电脑，其可以分析转矩值和转动角度值。

所提到的过程参数转矩和转动角度可以通过合适的转矩传感器和转动角度传感器直接在螺丝刀单元上检测。替代地或附加地，所提到的过程参数也可以被间接地确定，例如通过检测螺丝刀驱动器的功率消耗来确定。例如，可以在电动螺丝刀马达中测量电机电压和/或电机电流并将其作为对转矩的量度。如果使用液压螺丝刀驱动器，则可以测量液压驱动器的压力和/或体积流量，在此，例如可以根据压力-体积流量梯度来确定转矩-转动角度曲线。

附图说明

下面根据优选的实施例和所属附图详细阐述本发明。其中：

图1以示意性的局部剖视图示出了螺纹连接和附接于其上的、用于拧紧该螺纹连接的螺丝刀单元以及在拧紧时产生的转矩-转动角度图表。

具体实施方式

如图1所示，螺纹连接1可以包括螺丝2，第一部件3通过该螺丝被紧固在第二部件4上，其中，螺丝2例如可以被拧入到第二部件4中的螺纹5中，使得螺丝2的头部将第一部件3拉紧在第二部件4上。

马达驱动的螺丝刀单元6可以是手持式设备或者例如机器人引导的设备，并且包括螺丝刀驱动器，该螺丝刀驱动器可以包括电动机和/或压力介质马达(例如液压马达或气动马达)。

所述螺丝刀驱动器驱动螺丝刀工具7，通过该螺丝刀工具可以旋转地拧紧螺纹连接1。

测定装置8用于确定在拧紧期间出现的转矩m和据此产生的转动角度其例如可以包括转矩传感器9和转动角度传感器10，其中，所述的过程参数也可以如前所述地被间接采集。

在此，在拧紧螺纹连接1时，产生了如图1右侧图表中所示出的转矩m随转动角度的转矩曲线。如图1所示，拧紧进程可以说是无转矩地开始，即，螺丝2在开始时是没有明显阻力转动，直至螺丝的头部到达部件3并使其贴靠在第二部件4上为止。

在该最初或多或少无阻力的旋拧之后，得到第一弹性拧紧范围(anziehbereich)11，在该范围内转矩m随转动角度以至少近似恒定的斜率升高。在该弹性拧紧范围11内，转矩-转动角度曲线显示出近似恒定的升高或仅略微变化的升高，见图1。

在紧接着第一拧紧范围12的第二拧紧范围中，此时螺纹连接11达到其屈服极限或者接近屈服极限，所述转矩-转动角度曲线显示出增加的变化率。如图1所示，曲线变得更平并且不再急剧升高，即，随转动角度的转矩升高变化更强烈。

所述的测定装置8包括位于设备内部或设备外部的、可连接的分析单元13，其在拧紧过程期间对检测到的转矩值和转动角度值进行分析，并确定图1中所示的转矩-转动角度曲线的升高。

根据在弹性的第一拧紧范围11内出现的随转动角度的转矩升高，分析单元13可以确定随转动角度的转矩升高的最大允许变化，例如，将极限判据确定为，当随转动角度10的转矩升高仅是随转动角度的转矩升高的75％时，螺丝刀驱动器停止工作。

替代地或者除了升高的绝对变化之外，也可以考虑将变化速度作为关停判据。特别是可以根据在第一弹性拧紧范围11内相当缓慢的变化走向来确定最大允许变化速度，即每转动角度单位的转矩变化，在达到或超过该变化速度时中断拧紧进程。

一旦达到所述的最大允许变化和/或随转动角度的转矩升高的变化速度，控制装置14就可以停止螺丝刀单元6的螺丝刀驱动器。