EP2527091A2 - Schrauber und Verfahren zum Steuern eines Schraubers - Google Patents

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EP2527091A2
EP2527091A2 EP12165857A EP12165857A EP2527091A2 EP 2527091 A2 EP2527091 A2 EP 2527091A2 EP 12165857 A EP12165857 A EP 12165857A EP 12165857 A EP12165857 A EP 12165857A EP 2527091 A2 EP2527091 A2 EP 2527091A2
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EP
European Patent Office
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drive
electric motor
braking
motor
motor current
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EP12165857A
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EP2527091B1 (de
EP2527091A3 (de
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Michael Kaufmann
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C&E Fein GmbH and Co
Original Assignee
C&E Fein GmbH and Co
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Application filed by C&E Fein GmbH and Co filed Critical C&E Fein GmbH and Co
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Publication of EP2527091A3 publication Critical patent/EP2527091A3/de
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a screwdriver with a drive comprising an electric motor which is coupled to a drive shaft for driving a tool for tightening a screw with a predetermined torque, with a current sensor for detecting a motor current, with a control device for controlling the drive, the is designed to decelerate the drive upon reaching a braking criterion.
  • Such a screwdriver is from the DE 10 2008 033 866 A1 known.
  • the known screwdriver comprises a limiting device for limiting a delivery torque provided on the output side of the drive train to a maximum torque value.
  • the control device controls the drive motor, monitors the drive train, switches it off when a shutdown criterion is reached, and actuates a braking device for actively braking the drive motor by means of a rotating field opposite the respective direction of rotation of the drive motor.
  • the limiting device for limiting the output side provided output torque to a maximum torque value controls the energizing means via the drive motor for braking operation under at least one braking condition, wherein a quotient of the output torque and a rotational energy present in the drive train is less than or equal to a maximum value. In this way it should be prevented that damage occurs by excessive braking especially in small screws or delicate workpieces.
  • WO 2009/107563 A2 is a screwdriver with a brushless EC motor known in which the motor current and the number of revolutions of the motor shaft is used to estimate the tightening torque of a screw. The drive is stopped when the estimated tightening torque exceeds a certain estimated value.
  • the object of the invention is to provide a screwdriver and a method for controlling a screwdriver with a high repeat accuracy for a predetermined tightening torque for a large number of screw connections. This should be guaranteed to work as effectively as possible.
  • control device is designed on the basis of the predetermined torque for calculating a limit value for the motor current at which the drive is put into a waiting state, and that the control device when exceeding the limit value for the motor current for the determination of the braking criterion on the basis of the predetermined torque for calculating an activation time or a rotation angle at which the braking process is initiated, at least as a function of the kinetic energy of the drive at the time of exceeding the limit for the motor current is formed, wherein the electric motor is energized during the waiting state until the initiation of the braking process, not or only partially energized.
  • the object of the invention is achieved in this way.
  • the drive in a first phase of the screwing operation, is initially driven without limitation until the previously determined Criterion for the wait state is reached when a limit for the motor current is exceeded. If the limit of the motor current is exceeded, the kinetic energy of the drive is also detected at this time and used for the determination of the braking criterion for braking. During the waiting state until the initiation of the braking process, the motor is either further energized or not energized or only partially energized.
  • a first component is the torque generated by energization of the electric motor until reaching the waiting state of the drive. This represents the largest component of the tightening torque.
  • a second part of the tightening torque is based on the transmitted torque from the time the limit value is exceeded until the onset of braking. If the motor continues to be energized during this time, which is preferred according to the invention, this proportion is likewise generated by the motor current.
  • the third part of the tightening torque is generated by the kinetic energy of the drive during the braking process. The more energy is removed from the drive by the braking process, the lower the torque component of the tightening torque during the braking process. This has the advantage that the time between the exceeding of the limit value for the motor current and the standstill of the screwdriver is low. Thus, the shutdown time of the drive can be set later, whereby the repeatability increases.
  • control device is designed for calculating an average value, in particular a moving average, of the motor current which is used for the calculation of the limit value for the motor current.
  • the limit value for the motor current is derived from a directly proportional relationship between the torque and the motor current.
  • the electric motor is an electronically commutated electric motor, in particular a permanent magnet synchronous motor (PMSM) or BLDC motor.
  • PMSM permanent magnet synchronous motor
  • the output torque is directly proportional to the motor current.
  • the predetermined torque can be derived in a particularly simple manner from a measurement of the motor current.
  • At least one sensor for detecting at least one parameter is provided, which is selected from the group consisting of a temperature of a transmission to which the electric motor is coupled, a temperature of the electric motor, a rotational speed of the electric motor, a transmission ratio of the transmission and a supply voltage of the screwdriver consists.
  • the kinetic energy of the drive at the time of exceeding the limit value for the motor current is estimated on the basis of parameters that include at least the rotational speed of the drive, and the moment of inertia of the drive, ie, the rotating parts of the drive.
  • the drive comprises an electric motor and a gearbox coupled thereto
  • the rotational speed of the electric motor and the gear ratio of the gearbox or of the drive are taken into account as parameters.
  • the parameters comprise at least one further parameter which is selected from the group consisting of a supply voltage of the screwdriver, a temperature of the electric motor and a temperature of a transmission coupled to the electric motor.
  • the repeat accuracy of the tightening torque can be further increased since the actual engine speed is dependent on the supply voltage, i. the battery voltage, if an accumulator is used for power supply, as well as the temperature of the engine and transmission is dependent. Likewise, the speed is influenced by the position of the accelerator switch.
  • control device is designed to store a functional relationship between the braking criterion and the parameters that are used to determine the braking criterion, and to determine the braking criterion, taking into account the functional relationship.
  • the parameters which are included in the determination of the braking criterion, in particular on the basis of the kinetic energy of the drive at the time of exceeding the limit value for the motor current, are preferably determined empirically and stored the functional relationship in a memory.
  • the control device can then take these parameters into account when determining the braking criterion.
  • the parameter values which are generally determined analogously, are preferably converted into digital values via A / D converters and can then be taken into account simply in an additive or subtractive manner in the determination of the braking criterion.
  • the predetermined torque is adjustable, preferably by means of a suitable actuator, such as with the aid of a potentiometer.
  • the potentiometer at lower torques on a higher resolution than at higher torques.
  • a potentiometer with a corresponding characteristic curve for example in a logarithmic or expotential characteristic curve or else in software via the control device.
  • a read-in value may be multiplied by a proportionality constant to obtain a linear progression of torque provided to the tool through the potentiometer's adjustment path.
  • a more sensitive adjustment of the tightening torque at low tightening torques is advantageous, since the tightening torques for tightening, in particular at lower values, generally have to be observed more accurately, while at high tightening torques a certain deviation is less significant.
  • the electric motor can be carried out according to a further embodiment of the invention, a short-circuiting of the electric motor for a first period of time. This is the conventional short-circuit braking in electric motors.
  • control device is additionally designed for the braking of the electric motor for energizing the electric motor for a second period of time counter to its original direction of rotation.
  • a certain disadvantage is that, in the case of the use of a rechargeable battery with active counter-energization, energy is required from the rechargeable battery and the number of screwings per rechargeable battery charge thus drops.
  • the control device may have a pulse width modulation controller for controlling the electric motor.
  • the pulse width modulation control can be used, in particular, to effect a pulse-width-modulated current supply in the direction of rotation, a pulse width-modulated short circuit or a pulse-width-modulated current supply counter to the original direction of rotation of the electric motor.
  • the screwdriver on an accumulator for power supply.
  • an accumulator for power supply Preferably in the form of a nickel-cadmium rechargeable battery, a lithium-ion rechargeable battery, a lithium-polymer rechargeable battery or a nickel-metal hydride rechargeable battery.
  • the state of charge of the accumulator is preferably taken into account in the determination of the braking criterion.
  • the electric motor has a permanently excited rotor, which is associated with at least one position sensor, preferably a Hall sensor, for detecting the position of the rotor.
  • control device for indirect detection of the position of the rotor via the mutual induction of a field winding of the electric motor may be formed.
  • FIG. 1 an inventive screwdriver is shown in simplified form and designated overall by the numeral 10.
  • the screwdriver 10 has a housing 11 with a pistol-shaped handle.
  • a drive 12 is accommodated, which consists of an electric motor 14 and a gear 16 which is driven by the electric motor 14 via the motor shaft 18.
  • the gear 16 drives a drive shaft 20, at the outer end thereof a receptacle for a tool 22, e.g. a bit, is provided.
  • the screwdriver 10 could be operated in principle by means of a mains voltage, this has in the present case an accumulator 40 as an energy source, which is interchangeable received at the bottom of a pistol-shaped handle.
  • the accumulator 40 can be, for example, a lithium-ion accumulator.
  • the screwdriver 10 is controlled by a central control device 36, which is coupled to the electric motor 14, the transmission 16 and a throttle switch 32 via suitable connection lines. Furthermore, the control device 36 is coupled to the accumulator 40 with the interposition of a current sensor 38 and a voltage sensor 39.
  • an actuating element 34 is provided in the region of the housing 11 facing away from the tool 22, which may be, for example, a potentiometer. Again, this is suitably connected in line with the control device 36. Further, 16 sensors 24, 26, 28, 30 are provided on the electric motor 14 and the transmission, which are designed to detect the transmission temperature, the engine temperature, the rotational speed of the electric motor 14 and a gear recognition and connected to the control device 36 in a suitable manner are.
  • the corresponding potentiometer preferably has a higher resolution at lower torques and a lower resolution at higher torques, so that especially at low torques a sensitive adjustment is possible.
  • Fig. 2 schematically shows a simplified representation of the control of the screwdriver.
  • the electric motor 14 is formed in the present case as a permanent-magnet EC motor in the form of a BLDC motor. It has a rotor 42 with two permanent-magnetic poles and three field windings 60, 62, 64, which are arranged in the described case in the form of a star connection. It is understood that alternatively a triangular circuit could be used and that both the number of field windings and the number of poles could be varied.
  • the excitation windings 60, 62, 64 are controlled by associated driver circuits 48, 50, 52 from the central control device 36.
  • a position sensor 58 may be provided be coupled to the controller 36.
  • the position sensor 58 may be designed as a Hall sensor, for example.
  • the position sensor 58 is designed to detect the magnetic field of the pole pairs of the rotor 42 or a separately provided on the motor shaft 18 sensor disc (not shown) for determining the position.
  • the drivers 48, 50, 52 serve to selectively drive individual excitation windings 60, 62, 64, for example with a high signal, a low signal or else a zero signal in order to form the alternating field.
  • the signal can basically have a block-shaped, a sinusoidal or a pulse-width-modulated curve.
  • the drivers 48, 50, 52 may in particular be integrated or discrete power transistors.
  • the outputs of the drivers 48, 50, 52 are connected to the field windings 60, 62, 64.
  • Fig. 2 are also simplified short-circuit switch 54, 56 indicated, which are adapted to short-circuit the field windings 60, 62, 64 in the event of braking.
  • the short-circuit switches 54, 56 can be coupled to the excitation windings 60, 62 in order to short-circuit them.
  • the short-circuiting switches 54, 56 illustrated here are designed, for example, to short-circuit the exciter winding 60 with the exciter winding 62.
  • further short-circuiting switches can be provided, for example, to short-circuit the excitation winding 60 with the field winding 64 or the field winding 62 with the field winding 64.
  • short-circuiting switches 54, 56 are shown as illustrative only as separate elements. The functionality of the shorting switches 54, 56 can also be accomplished via the controller 36 using the drivers 48, 50, 52.
  • a microprocessor 37 is indicated, and a memory 43 which serves as a program memory and in which also parameterized characteristics can be stored.
  • the control device 36 comprises a clock generator 44 and a pulse width modulation controller (PWM) 46. It goes without saying in that the said components can readily be fully integrated or designed as part of the control device 36 or discretely.
  • PWM pulse width modulation controller
  • the screwdriver 10 is designed to tighten screws with a high repeat accuracy with a predetermined torque that is preset.
  • the motor current I M is measured in amperes at the base of the circuit (bus current), cf.
  • Current sensor 38 in Fig. 1 k t is the proportionality constant.
  • n [1 / min] k e * U [V].
  • k e is a proportionality constant. This describes how high the induced voltage U in the motor 14 is at a certain speed n.
  • a difference between the external voltage (battery voltage) and the internal, induced voltage EMK is necessary. The larger the available voltage U, the faster the motor rotates.
  • Fig. 5 Furthermore, the relationship between the braking time t [ms] and the speed n [1 / min] is shown. It can be seen that the braking time at the maximum speed of about 24000 rpm is about 25 ms, while at a speed of only about 7000 rpm it is 5 ms. Due to the hybrid brake used according to the DE 10 2010 032 335.7 , which is hereby incorporated by reference in its entirety, results as shown in FIG Fig. 5 a nearly linear relationship between the braking time and the initial number of revolutions of the electric motor 14. It is understood that both speed and braking time are engine-specific and can thus change.
  • the basic principle of the screwdriver according to the invention is first to drive the drive 12 or the electric motor 14 in a first phase of the screwing until the motor current I M exceeds the limit value I 1 . Thereafter, a wait state begins until the start of braking. At the time of exceeding the limit value I 1 by the motor current I M , the kinetic energy E kin contained in the rotating parts of the drive is detected and used to calculate a time at which the braking of the motor begins. This will be explained below with reference to Fig. 3 explained in more detail.
  • the motor is preferably energized further.
  • the tightening torque of the fitting consists of three parts: The first (and largest) part of the tightening torque is generated in the phase until the start of the waiting state when the limit value I 1 is exceeded by the motor current I M.
  • the torque M generated by the motor current I M is in this case directly proportional to the motor current I M , as explained above.
  • a second portion of the tightening torque is also generated by the motor current I M during the waiting state until the time of application of the braking, since the electric motor 14 is preferably energized further during this phase.
  • the third portion of the tightening torque is due to the kinetic energy of the drive 12 during the braking phase until the speed 0 is reached. The more energy is extracted from the drive with the help of the hybrid brake or short-circuit brake, the lower the torque deviation after exceeding the threshold I 1 .
  • the tightening torque additionally applied after exceeding the limit value I 1 by the motor current I M depends on various parameters. These include the battery voltage, the engine temperature, the gearbox temperature, the position of the accelerator switch and the selected gear.
  • the voltage of the accumulator 40 decreases, the less residual charge in the accumulator 40 is present. In a fully charged accumulator, the speed n of the electric motor 14 is greater than in an almost empty accumulator 40th
  • the user of the screwdriver 10 may also influence the speed n of the screwdriver 10 by means of the accelerator switch 32.
  • the screwdriver 10 may include both a single and a multi-speed transmission, also the set gear should be detected. Since both the output torque M and the output speed depend thereon, parameters within the controller 36 and microprocessor 37, respectively, may be adjusted to obtain the best possible tightening result.
  • the signals of the sensors 24, 26, 28, 30 for the transmission temperature, the engine temperature, the rotational speed and the gear recognition and the voltage sensor 39 for monitoring the battery voltage of the control device 36 are supplied.
  • the deviations caused by these parameters are determined empirically and stored in the memory 43, so that the control device 36 can make a corresponding compensation.
  • a shut-off torque set with the aid of the adjusting element 34 is first read in, cf. Step 74.
  • Step 76 becomes calculated from the read-off switching torque from the known direct proportional relationship between torque M and motor current I M, a limit I 1 for the motor current at which a shutdown of the drive 12 takes place.
  • the set shutdown torque M is divided by the proportionality constant k t in order to determine the motor current.
  • a certain value ⁇ is subtracted therefrom, to permit compensation for the after exceeding the limit value I 1 for the motor current I M are still generated torque components IM. For example, 10% of the calculated motor current is subtracted to determine the limit I 1 .
  • the screwing process is started according to item 78. During the screwing process, the motor current I M is constantly measured by means of the current sensor 38, wherein averaging takes place.
  • the application time t 1 of the brake is calculated and the screwing operation first continues according to number 90.
  • the time t the braking time t> t 1 so the engine is decelerated according to 94 until it finally comes to a standstill in accordance with 96.
  • the cumulative angle of rotation could be determined in case of exceeding the braking is initiated.
  • the position sensor 58 could be used.
  • FIGS. 6 and 7 For example, a screwing process is shown with a slow speed.
  • Fig. 6 shows by way of example the course of the motor current I M as a function of the time t.
  • the screwing process starts first in the diagram with the idle. The start is not shown. The first, very long increase, for example, marks the thread furrowing of a self-tapping sheet-metal screw. Then there is a small plateau in which the current increases only very slightly. This area extends from the end of the thread furrow to the head rest. The headrest is characterized by a very strong rising current. If the current I M exceeds the threshold I 1 , then the time (or alternatively the angle of rotation) is calculated until the beginning of the deceleration.
  • Fig. 7 is a section of Fig. 6 shown enlarged.
  • FIGS. 8 and 9 the course of a screw connection is shown at a high speed.
  • the course essentially corresponds to that in Fig. 6 shown course.
  • the period between the exceeding of the limit value I 1 of the motor current I M and at the beginning of the braking process t 1 is less than in the illustration according to FIG Fig. 6 and / or 7.
  • the time of the active deceleration is extended.
  • the time between the exceeding of the limit value for the current I 1 and the end of the deceleration process is the same length as at low speed.
  • 95 denotes the braking process.
  • the braking current is limited to a maximum value, as can be seen by the horizontal course to the end of the braking process.

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Abstract

Es wird ein Schrauber mit einem Antrieb (12) angegeben, der einen Elektromotor (14) umfasst, der mit einer Antriebswelle (20) zum Antrieb (12) eines Werkzeugs (22) zum Anziehen einer Verschraubung mit einem vorbestimmten Anzugsmoment gekoppelt ist, mit einem Stromsensor (38) zur Erfassung eines Motorstroms (I M ), mit einer Steuereinrichtung (36) zur Steuerung des Antriebs (12), wobei zur Abbremsung des Antriebs bei Erreichen eines Bremskriteriums ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (36) für die Bestimmung des Abschaltkriteriums auf der Basis des vorbestimmten Anzugsmoments zur Berechnung eines Grenzwertes für den Motorstrom ausgebildet ist, bei Überschreiten dessen der Antrieb (12) in einen Wartezustand versetzt wird, und wobei die Steuereinrichtung (36) für die Bestimmung des Bremskriteriums auf der Basis des vorbestimmten Anzugsmoments zur Berechnung einer Aktivierungszeit oder eines Drehwinkels, bei Überschreiten dessen der Bremsvorgang eingeleitet wird, zumindest in Abhängigkeit von der kinetischen Energie des Antriebs zum Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwertes für den Motorstrom ausgebildet ist, wobei der Elektromotor (14) während des Wartezustands bis zum Einleiten des Bremsvorgangs weiter bestromt wird, gar nicht oder nur teilweise bestromt wird (Fig. 1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schrauber mit einem Antrieb, der einen Elektromotor umfasst, der mit einer Antriebswelle zum Antrieb eines Werkzeugs zum Anziehen einer Verschraubung mit einem vorbestimmten Anzugsmoment gekoppelt ist, mit einem Stromsensor zur Erfassung eines Motorstroms, mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Antriebs, die zur Abbremsung des Antriebs bei Erreichen eines Bremskriteriums ausgebildet ist.
  • Ein derartiger Schrauber ist aus der DE 10 2008 033 866 A1 bekannt.
  • Der bekannte Schrauber umfasst eine Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung eines an dem Antriebsstrang abtriebsseitig bereitgestellten Abgabedrehmoments auf einen Drehmoment-Maximalwert. Die Steuerungseinrichtung steuert den Antriebsmotor an, überwacht den Antriebsstrang, schaltet diesen bei Erreichen eines Abschaltkriteriums ab und betätigt eine Bremseinrichtung zum aktiven Abbremsen des Antriebsmotors durch ein der jeweiligen Drehrichtung des Antriebsmotors gegensinniges Drehfeld. Dabei steuert die Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung des abtriebsseitig bereitgestellten Abgabedrehmoments auf einen Drehmoment-Maximalwert die Bestromungseinrichtung über den Antriebsmotor zum Bremsbetrieb unter mindestens einer Bremsbedingung an, wobei ein Quotient des Abgabedrehmoments und einer in dem Antriebsstrang vorhandenen Rotationsenergie kleiner oder gleich einem Maximalwert ist. Auf diese Weise soll verhindert werden, dass durch eine zu starke Abbremsung insbesondere bei kleinen Schrauben oder empfindlichen Werkstücken eine Beschädigung auftritt.
  • Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht insbesondere darin, dass ständig sehr viele, das Anzugsdrehmoment beeinflussende Einzelparameter überwacht werden müssen und somit ein sehr hoher Rechenaufwand erforderlich ist, was sich entweder nachteilig auf die Genauigkeit oder die Verschraubungszeit auswirkt.
  • Aus der WO 2009/107563 A2 ist ein Schrauber mit einem bürstenlosen EC-Motor bekannt, bei dem der Motorstrom und die Anzahl der Umdrehungen der Motorwelle genutzt wird, um das Anzugsmoment einer Verschraubung zu schätzen. Der Antrieb wird angehalten, wenn das geschätzte Anzugsmoment einen bestimmten Schätzwert überschreitet.
  • Bei einem weiteren aus der DE 103 41 975 A1 bekannten Schrauber ist einen Drehmomentbegrenzungseinrichtung vorgesehen, wobei durch eine Steuerung der Motorstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl auf einen Maximalwert begrenzt wird.
  • Der Nachteil dieser Schrauber besteht darin, dass das Anzugsmoment mit einer erheblichen Ungenauigkeit behaftet ist.
  • Bei vielen Schraubanwendungen im Handwerk und auch in der Industrie ist es wichtig, einen Schrauber mit einer großen Wiederholgenauigkeit für ein bestimmtes Anzugsmoment für eine große Anzahl von Verschraubungen bereitzustellen. Beispielsweise ist es bei nach der Montage sichtbaren Holzverschraubungen wichtig, sowohl für das optische Aussehen, als auch für den mechanischen Halt, dass jeder Schraubenkopf immer gleich tief versenkt ist. Ähnliches gilt auch für Blechverschraubungen in leicht abgewandelter Form. Beispielsweise sollen Blechverschraubungen an einer Fassade mit gleichmäßig hohem Drehmoment angezogen werden. Wird die Schraube zu schwach angezogen, so dichtet der Schraubenkopf das entstandene Schraubloch nicht komplett ab und es kann Feuchtigkeit eindringen. Schaltet der Schrauber hingegen zu spät ab, so besteht die Möglichkeit, dass der Schraubenkopf abgerissen wird und eine aufwendige Nacharbeit erforderlich wird.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Schrauber und ein Verfahren zum Steuern eines Schraubers mit einer hohen Wiederholgenauigkeit für ein vorbestimmtes Anzugsmoment für eine große Anzahl von Verschraubungen bereitzustellen. Hierbei soll ein möglichst effektives Arbeiten gewährleistet sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schrauber gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die die Steuereinrichtung auf der Basis des vorbestimmten Anzugsmoments zur Berechnung eines Grenzwertes für den Motorstrom ausgebildet ist, bei Überschreiten dessen der Antrieb in einen Wartezustand versetzt wird, und dass die Steuereinrichtung bei Überschreitung des Grenzwertes für den Motorstrom für die Bestimmung des Bremskriteriums auf der Basis des vorbestimmten Anzugsmoments zur Berechnung einer Aktivierungszeit oder eines Drehwinkels, bei Überschreiten dessen der Bremsvorgang eingeleitet wird, zumindest in Abhängigkeit von der kinetischen Energie des Antriebs zum Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwertes für den Motorstrom ausgebildet ist, wobei der Elektromotor während des Wartezustands bis zum Einleiten des Bremsvorgangs weiter bestromt wird, gar nicht oder nur teilweise bestromt wird.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Steuern eines Schraubers gelöst, um eine Verschraubung mit einem vorbestimmten Anzugsmoment mittels eines von einem Antrieb antreibbaren Werkzeugs anzuziehen, mit den folgenden Schritten:
    • Erfassen eines vorbestimmten Anzugsmoments;
    • auf der Basis des vorbestimmten Anzugsmoments Berechnen eines Grenzwertes für den Motorstrom, bei Überschreiten dessen der Antrieb in einen Wartezustand überführt wird;
    • Anziehen der Verschraubung durch Antreiben des Werkzeugs;
    • Überwachen des Motorstroms und Überführen des Antriebs in den Wartezustand bei Überschreiten des Grenzwertes für den Motorstrom;
    • Bestimmen einer kinetischen Energie des Antriebs zum Zeitpunkt des Überschreitens des Grenzwertes für den Motorstrom;
    • Bestimmen eines Bremskriteriums zur Einleitung einer Bremsung des Antriebs zumindest auf der Basis der kinetischen Energie des Antrieb zum Zeitpunkt des Überschreitens des Grenzwertes für den Motorstrom;
    • Einleiten eines Bremsvorgangs bei Erreichen des Bremskriteriums;
    • wobei der Antriebsmotor während des Wartezustands bis zum Einleiten des Bremsvorgangs weiter bestromt wird, gar nicht oder nur teilweise bestromt wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird zunächst in einer ersten Phase des Schraubvorgangs der Antrieb ohne Begrenzung zunächst so angesteuert, bis das zuvor bestimmte Kriterium für den Wartezustand bei Überschreiten eines Grenzwertes für den Motorstrom erreicht wird. Wird der Grenzwert des Motorstroms überschritten, so wird zu diesem Zeitpunkt ferner die kinetische Energie des Antriebs erfasst und für die Bestimmung des Bremskriteriums zur Abbremsung genutzt. Während des Wartezustands bis zum Einleiten des Bremsvorgangs wird der Motor entweder weiter bestromt oder aber nicht oder nur teilweise bestromt.
  • Auf diese Weise ergibt sich eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit für ein vorbestimmtes Anzugsmoment zu einer Vielzahl von Verschraubungen.
  • Das Drehmoment, mit welchem eine Verschraubung nach dem Ende des Schraubvorgangs angezogen ist, wird durch drei Komponenten bewirkt: Eine erste Komponente ist das durch Bestromung des Elektromotors erzeugte Drehmoment bis zum Erreichen des Wartezustands des Antriebs. Dies stellt die größte Komponente des Anzugsmomentes dar. Ein zweiter Anteil des Anzugsmomentes beruht auf dem übertragenen Drehmoment vom Zeitpunkt des Überschreitens des Grenzwertes bis zum Einsetzen des Bremsvorgangs. Wird der Motor während dieser Zeit weiter bestromt, was erfindungsgemäß bevorzugt ist, so wird dieser Anteil ebenfalls vom Motorstrom erzeugt. Der dritte Teil des Anzugsmomentes wird durch die kinetische Energie des Antriebs während des Bremsvorgangs erzeugt. Je mehr Energie aus dem Antrieb durch den Bremsvorgang entnommen wird, desto geringer ist der Drehmomentanteil am Anzugsmoment während des Bremsvorgangs. Dies hat den Vorteil, dass der Zeitraum zwischen der Überschreitung des Grenzwertes für den Motorstrom und dem Stillstand des Schraubers gering ist. Somit kann der Abschaltzeitpunkt des Antriebs später angesetzt werden, wodurch die Wiederholgenauigkeit steigt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung zur Berechnung eines Mittelwertes, insbesondere eines gleitenden Mittelwertes, des Motorstroms ausgebildet, der für die Berechnung des Grenzwertes für den Motorstrom verwendet wird.
  • Auf diese Weise können Schwankungen des Motorstroms durch die Kommutierung des Elektromotors und Asymmetrien ausgeglichen werden und in einem Mittelwert des Motorstroms berücksichtigt werden. Hierdurch wird die Genauigkeit verbessert.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Grenzwert für den Motorstrom aus einem direkt proportionalen Zusammenhang zwischen dem Drehmoment und dem Motorstrom abgeleitet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Elektromotor ist, insbesondere ein permanentmagneter Synchronmotor (PMSM) oder BLDC-Motor. Bei diesen Motoren ist das abgegebene Drehmoment direkt proportional zum Motorstrom. Auf diese Weise kann das vorbestimmte Anzugsmoment auf besonders einfache Weise aus einer Messung des Motorstroms abgeleitet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Sensor zur Erfassung zumindest eines Parameters vorgesehen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Temperatur eines Getriebes, mit dem der Elektromotor gekoppelt ist, einer Temperatur des Elektromotors, einer Drehzahl des Elektromotors, einem Übersetzungsverhältnis des Getriebes und einer Versorgungsspannung des Schraubers besteht.
  • Da die kinetische Energie des Antriebs zum Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwertes für den Motorstrom von einer Reihe von Parametern abhängig ist, ist es sinnvoll, diese Parameter mittels Sensoren zu überwachen und bei der Bestimmung des Bremskriteriums zu berücksichtigen.
  • Vorzugsweise wird hierbei die kinetische Energie des Antriebs zum Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwertes für den Motorstrom auf der Basis von Parametern geschätzt, die zumindest die Drehzahl des Antriebs, und das Trägheitsmoment des Antriebs, d.h., der rotierenden Teile des Antriebs, umfassen.
  • Soweit der Antrieb einen Elektromotor und ein damit gekoppeltes Getriebe umfasst, so wird hierbei als Parameter die Drehzahl des Elektromotors und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes bzw. des Antriebs berücksichtigt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Parameter zumindest einen weiteren Parameter, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Versorgungsspannung des Schraubers, einer Temperatur des Elektromotors und einer Temperatur eines mit dem Elektromotor gekoppelten Getriebes gebildet ist.
  • Auf diese Weise kann die Wiederholgenauigkeit des Anzugsmomentes weiter gesteigert werden, da die aktuelle Motordrehzahl von der Versorgungsspannung, d.h. der Akkuspannung, sofern ein Akkumulator zur Stromversorgung verwendet wird, sowie von der Temperatur von Motor und Getriebe abhängig ist. Gleichfalls wird die Drehzahl von der Stellung des Gasgebeschalters beeinflusst.
  • Durch die Berücksichtigung dieser Einflüsse wird die Wiederholgenauigkeit bei der Einhaltung des vorbestimmten Anzugsmomentes verbessert.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung zur Speicherung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Bremskriterium und den Parametern, die zur Bestimmung des Bremskriteriums verwendet werden, und zur Bestimmung des Bremskriteriums unter Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhangs ausgebildet.
  • Die Parameter, die in die Bestimmung des Bremskriteriums, insbesondere auf der Basis der kinetischen Energie des Antriebs zum Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwertes für den Motorstrom, einfließen, werden vorzugsweise empirisch ermittelt und der funktionale Zusammenhang in einem Speicher abgelegt. Die Steuereinrichtung kann diese Parameter dann bei der Bestimmung des Bremskriteriums berücksichtigen. Vorzugsweise werden hierzu die in der Regel analog ermittelten Parameterwerte über A/D-Wandler in Digitalwerte umgesetzt und können dann einfach additiv oder subtraktiv bei der Bestimmung des Bremskriteriums berücksichtigt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das vorbestimmte Anzugsmoment einstellbar, vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten Stellgliedes, etwa mit Hilfe eines Potentiometers.
  • Weiter bevorzugt weist hierbei das Potentiometer bei niedrigeren Anzugsmomenten eine höhere Auflösung als bei höheren Anzugsmomenten auf.
  • Dies kann entweder durch ein Potentiometer mit einer entsprechenden Kennlinie, etwa in einer logarithmischen oder expotentialen Kennlinie oder aber softwaremäßig über die Steuereinrichtung realisiert werden. Gleichfalls kann ein eingelesener Wert mit einer Proportionalitätskonstante multipliziert werden, um einen linearen Verlauf eines am Werkzeug bereitgestellten Drehmomentes über den Einstellweg des Potentiometers zu erhalten.
  • Eine feinfühligere Einstellung des Anzugsmomentes bei niedrigen Anzugsmomenten ist vorteilhaft, da die Anzugsmomente für Verschraubungen insbesondere bei niedrigeren Werten in der Regel genauer eingehalten werden müssen, während bei hohen Anzugsmomenten eine gewisse Abweichung weniger bedeutsam ist.
  • Zur Bremsung des Elektromotors kann gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ein Kurzschließen des Elektromotors für einen ersten Zeitabschnitt erfolgen. Dies ist die herkömmliche Kurzschlussbremsung bei Elektromotoren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Steuereinrichtung jedoch zusätzlich für die Bremsung des Elektromotors zum Bestromen des Elektromotors für einen zweiten Zeitabschnitt entgegen seinem ursprünglichen Drehsinn ausgebildet.
  • Durch die Kombination einer Bremsung des Elektromotors durch Kurzschließen für einen ersten Zeitabschnitt und durch Bestromen des Elektromotors für einen zweiten Zeitabschnitt entgegen seinem ursprünglichen Drehsinn lässt sich eine deutlich schnellere Bremsung (sogenannte Hybrid-Bremsung) erreichen.
  • Dieses Verfahren ist im Einzelnen in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2010 032 335.7 offenbart, die nicht vorveröffentlicht ist, und die hier vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
  • Bei einer schnelleren Abbremsung des Antriebs lässt sich ein kleineres vorbestimmtes Anzugsmoment erzielen. Ferner werden die Verschraubungen reproduzierbarer und genauer, da der während der Bremsphase übertragene Energieanteil geringer wird. Ein gewisser Nachteil besteht darin, dass im Falle der Verwendung eines Akkumulators bei einer aktiven Gegenbestromung Energie aus dem Akkumulator benötigt wird und die Anzahl der Verschraubungen pro Akkuladung somit sinkt.
  • Die Steuereinrichtung kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Pulsweitenmodulationssteuerung zur Ansteuerung des Elektromotors aufweisen. Hierbei kann die Pulsweitenmodulationssteuerung insbesondere dazu benutzt werden, eine pulsweitenmodulierte Bestromung in Drehrichtung, einen pulsweitenmodulierten Kurzschluss oder eine pulsweitenmodulierte Bestromung entgegen der ursprünglichen Drehrichtung des Elektromotors zu bewirken.
  • Es lässt sich sowohl eine einfache Steuerung des durchschnittlichen Motorstroms während der Antriebsphase als auch eine Steuerung des Kurzschlussstroms während der Bremsphase oder der Gegenbestromung während der Bremsphase erzielen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Schrauber einen Akkumulator zur Energieversorgung auf. Vorzugsweise in Form eines Nickel-Cadmium-Akkumulators, eines Lithium-Ionen-Akkumulators, eines Lithium-Polymer-Akkumulators oder eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators.
  • Durch die Verwendung eines Akkumulators lässt sich die praktische Einsetzbarkeit des Schraubers erheblich verbessern, da Zuleitungen, die die Handhabung während des Betriebs beeinträchtigen können, entfallen. Der Ladezustand des Akkumulators wird vorzugsweise bei der Bestimmung des Bremskriteriums berücksichtigt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Elektromotor einen permanent erregten Rotor auf, dem zumindest ein Positionsgeber, vorzugsweise ein Hall-Sensor, zur Erfassung der Position des Rotors zugeordnet ist.
  • Alternativ kann auch die Steuereinrichtung zur mittelbaren Erfassung der Position des Rotors über die Gegeninduktion einer Erregerwicklung des Elektromotors ausgebildet sein.
  • In beiden Fällen wird so eine Lageerfassung, eine Drehrichtungserfassung oder auch eine Geschwindigkeitserfassung ermöglicht. Auf diese Weise kann auf einen separaten Drehzahlsensor verzichtet werden.
  • Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung gelöst.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schraubers;
    Fig. 2
    eine vereinfachte schematische Darstellung einer mit dem Elektromotor gekoppelten Steuereinrichtung;
    Fig. 3
    ein Flussdiagramm für die Steuerung des Schraubers;
    Fig. 4
    den Zusammenhang zwischen der Versorgungsspannung und der Drehzahl des verwendeten BDLC-Motors;
    Fig. 5
    die Dauer eines Bremsvorgangs in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors bei Einleitung der Bremsung;
    Fig.6
    den Stromverlauf bei einem beispielhaften Schraubvorgang mit anschließendem Wartezustand bis zu einer anschließenden Bremsung über der Zeit mit einer langsamen Drehzahl;
    Fig. 7
    einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung gemäß Fig. 6 im Bereich des Wartezustands bis zum Bremsbeginn und anschließender Bremsung;
    Fig. 8
    den Verlauf des Motorstroms in Abhängigkeit von der Zeit bei einer weiteren Verschraubung mit einer hohen Drehzahl und
    Fig. 9
    einen Ausschnitt aus der Darstellung gemäß Fig. 8 im Bereich des Wartezustands bis zum Bremsbeginn und anschließender Bremsung;.
  • In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Schrauber vereinfacht dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
  • Der Schrauber 10 weist ein Gehäuse 11 mit einem pistolenförmigen Handgriff auf. Im Gehäuse 11 ist ein Antrieb 12 aufgemommen, der aus einem Elektromotor 14 und einem Getriebe 16 besteht, das vom Elektromotor 14 über dessen Motorwelle 18 angetrieben ist. Das Getriebe 16 treibt eine Antriebswelle 20 auf, an derem äußeren Ende eine Aufnahme für ein Werkzeug 22, z.B. ein Bit, vorgesehen ist.
  • Obwohl der Schrauber 10 grundsätzlich mittels einer Netzspannung betrieben werden könnte, weist dieser im vorliegenden Fall einen Akkumulator 40 als Energiequelle auf, der am unteren Ende eines pistolenförmigen Handgriffes auswechselbar aufgenommen ist. Bei dem Akkumulator 40 kann es sich beispielsweise um einen Lithium-Ionen-Akkumulator handeln. Der Schrauber 10 wird über einen zentrale Steuereinrichtung 36 gesteuert, die mit dem Elektromotor 14, dem Getriebe 16 und einem Gasgebeschalter 32 über geeignete Anschlussleitungen gekoppelt ist. Ferner ist die Steuereinrichtung 36 mit dem Akkumulator 40 unter Zwischenschaltung eines Stromsensors 38 und eines Spannungssensors 39 gekoppelt.
  • Zur Einstellung eines vorbestimmten Anzugsmomentes für eine Verschraubung ist im dem Werkzeug 22 abgewandten Bereich des Gehäuses 11 ein Stellelement 34 vorgesehen, bei dem es sich beispielsweise um ein Potentiometer handeln kann. Auch dieses ist in geeigneter Weise leitungsmäßig mit der Steuereinrichtung 36 verbunden. Ferner sind an dem Elektromotor 14 und dem Getriebe 16 Sensoren 24, 26, 28, 30 vorgesehen, die zur Erfassung der Getriebetemperatur, der Motortemperatur, der Drehzahl des Elektromotors 14 und zu einer Gangerkennung ausgebildet sind und mit der Steuereinrichtung 36 in geeigneter Weise leitungsmäßig verbunden sind.
  • Am Stellelement 34 kann ein Anzugsmoment zum Anziehen einer Verschraubung eingestellt werden. Hierzu weist das entsprechende Potentiometer vorzugsweise eine höhere Auflösung bei niedrigeren Anzugsmomenten und eine niedrigere Auflösung bei höheren Anzugsmomenten auf, so dass insbesondere bei geringen Anzugsmomenten eine feinfühlige Einstellung ermöglicht ist.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine vereinfachte Darstellung der Steuerung des Schraubers.
  • Der Elektromotor 14 ist im vorliegenden Fall als permanenterregter EC-Motor in Form eines BLDC-Motors ausgebildet. Er weist einen Rotor 42 mit zwei permanentmagnetischen Polen und drei Erregerwicklungen 60, 62, 64 auf, die im beschriebenen Fall in Form einer Sternschaltung angeordnet sind. Es versteht sich, dass alternativ auch eine Dreiecksschaltung verwendet werden könnte und dass sowohl die Anzahl der Erregerwicklungen als auch die Anzahl der Pole variiert werden könnte. Die Erregerwicklungen 60, 62, 64 werden über zugeordnete Treiberschaltungen 48, 50, 52 von der zentralen Steuereinrichtung 36 angesteuert.
  • Bei dem elektronisch kommutierbaren Elektromotor 14 ist es erforderlich, das Drehfeld über die Motorsteuerung zu bewirken. Eine derartige Ansteuerung der Erregerwicklungen 60, 62, 64 ermöglicht u.a. den Verzicht auf Bürsten zur Kontaktierung, so dass der Elektromotor 14 insgesamt wartungsarm oder nahezu wartungsfrei gestaltet sein kann. Zur Erfassung der Lage des Rotors 42 kann ein Positionsgeber 58 vorgesehen sein, der mit der Steuereinrichtung 36 gekoppelt ist. Der Positionsgeber 58 kann etwa als Hall-Sensor ausgeführt sein. Der Positionsgeber 58 ist dazu ausgebildet, das Magnetfeld der Polpaare des Rotors 42 oder aber einer separat an der Motorwelle 18 vorgesehenen Sensorscheibe (nicht dargestellt) zur Lagebestimmung zu erfassen.
  • Die Treiber 48, 50, 52 dienen dazu, einzelne Erregerwicklungen 60, 62, 64 selektiv anzusteuern, etwa mit einem High-Signal, einem Low-Signal oder aber einem Null-Signal, um das Wechselfeld auszubilden. Das Signal kann grundsätzlich einen blockförmigen, einen sinusförmigen oder einen pulsweitenmodulierten Verlauf aufweisen. Bei den Treibern 48, 50, 52 kann es sich insbesondere um integrierte oder diskrete Leistungstransistoren handeln. Die Ausgänge der Treiber 48, 50, 52 sind mit den Erregerwicklungen 60, 62, 64 verbunden.
  • In Fig. 2 sind ferner vereinfacht Kurzschlussschalter 54, 56 angedeutet, die dazu ausgebildet sind, die Erregerwicklungen 60, 62, 64 für den Fall einer Bremsung miteinander kurzzuschließen. Die Kurzschlussschalter 54, 56 sind dabei mit den Erregerwicklungen 60, 62 koppelbar, um diese kurzzuschließen. Die hier dargestellten Kurzschlussschalter 54, 56 sind beispielhaft dazu ausgebildet, die Erregerwicklung 60 mit der Erregerwicklung 62 kurzzuschließen. In ähnlicher Weise können weitere Kurzschlussschalter vorgesehen sein, etwa um die Erregerwicklung 60 mit der Erregerwicklung 64 oder die Erregerwicklung 62 mit der Erregerwicklung 64 kurzzuschließen.
  • Es versteht sich dabei, dass die Kurzschlussschalter 54, 56 lediglich veranschaulichend als separate Elemente dargestellt sind. Die Funktionalität der Kurzschlussschalter 54, 56 kann gleichfalls über die Steuereinrichtung 36 unter Nutzung der Treiber 48, 50, 52 bewerkstelligt werden.
  • In Fig. 2 ist schematisch ein Mikroprozessor 37 angedeutet, sowie ein Speicher 43, der als Programmspeicher dient und in dem außerdem parametrisierte Kennlinien gespeichert werden können. Ferner umfasst die Steuereinrichtung 36 einen Taktgeber 44 und eine Pulsweitenmodulationssteuerung (PWM) 46. Es versteht sich dabei, dass die genannten Bauteile ohne Weiteres gänzlich integriert oder als Teil der Steuereinrichtung 36 oder aber diskret ausgeführt sein können.
  • Erfindungsgemäß ist der Schrauber 10 dazu ausgebildet, Verschraubungen mit einer hohen Wiederholgenauigkeit mit einem vorbestimmten Anzugsmoment, das voreinstellbar ist, anzuziehen.
  • Dies wird im Folgenden anhand der Figuren 3 bis 9 näher erläutert.
  • Der erfindungsgemäß verwendete EC-Motor in Form eines BLDC-Motors weist eine direkte Proportionalität zwischen dem Motorstrom IM und dem erzeugten Drehmoment M auf: M[Nm]=kt · IM [A]. Hierbei wird der Motorstrom IM in Ampere am Fußpunkt der Schaltung gemessen (Busstrom), vgl. Stromsensor 38 in Fig. 1. kt ist die Proportionalitätskonstante.
  • Bei dem verwendeten BLDC-Motor 14 ist die Drehzahl ferner proportional zur angelegten Spannung. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 4 dargestellt, in der die Drehzahl n [1/min] über der Spannung U [V] aufgetragen ist. Dieser Zusammenhang kann als n [1/min] = ke · U [V] dargestellt werden. ke ist hierbei eine Proportionalitätskonstante. Diese beschreibt, wie hoch die induzierte Spannung U im Motor 14 bei einer bestimmten Drehzahl n ist. Um einen Stromplus zu ermöglichen und somit einen Drehmoment zu erzeugen, ist eine Differenz zwischen der äußeren Spannung (Akkuspannung) und der inneren, induzierten Spannung EMK nötig. Je größer die zur Verfügung stehende Spannung U ist, desto schneller dreht sich der Motor.
  • In Fig. 5 ist ferner der Zusammenhang zwischen der Bremszeit t [ms] und der Drehzahl n [1/min] dargestellt. Es zeigt sich, dass die Bremszeit bei der maximalen Drehzahl von etwa 24000 1/min etwa 25 ms beträgt, während diese bei einer Drehzahl von nur etwa 7000 1/min 5 ms beträgt. Aufgrund der verwendeten Hybridbremse gemäß der DE 10 2010 032 335.7 , die hier vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen wird, ergibt sich gemäß der Darstellung in Fig. 5 ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen Bremszeit und anfänglicher Umdrehungszahl des Elektromotors 14. Es versteht sich, dass sowohl Drehzahl als auch Bremszeit motorspezifisch sind und sich somit ändern können.
  • Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Schraubers besteht darin, zunächst in einer ersten Phase der Verschraubung den Antrieb 12 bzw. den Elektromotor 14 solange anzutreiben, bis der Motorstrom IM den Grenzwert I1 übersteigt. Danach beginnt ein Wartezustand bis zum Bremsbeginn. Zum Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwertes I1 durch den Motorstrom IM wird die in den rotierenden Teilen des Antriebs enthaltene kinetische Energie Ekin erfasst und zur Berechnung eines Zeitpunktes verwendet, zu dem die Bremsung des Motors einsetzt. Dies wird im Folgenden noch anhand von Fig. 3 näher erläutert. Während des Wartezustandes, d.h. vom Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwertes I1 durch den Motorstrom IM bis zur Einleitung der Bremsung wird der Motor bevorzugt weiter bestromt.
  • Das Anzugsmoment der Verschraubung setzt sich aus drei Teilen zusammen: Der erste (und größte) Teil des Anzugsmomentes wird in der Phase bis zum Beginn des Wartezustands bei Überschreitung des Grenzwertes I1 durch den Motorstrom IM erzeugt. Das vom Motorstrom IM erzeugte Drehmoment M ist hierbei direkt proportional zum Motorstrom IM, wie zuvor erläutert. Ein zweiter Anteil des Anzugsmomentes wird während des Wartezustands bis zum Einsatzzeitpunkt der Bremsung ebenfalls vom Motorstrom IM erzeugt, da der Elektromotor 14 während dieser Phase bevorzugt weiter bestromt wird. Der dritte Anteil des Anzugsmomentes entsteht durch die kinetische Energie des Antriebs 12 während der Bremsphase, bis die Drehzahl 0 erreicht ist. Je mehr Energie aus dem Antrieb mit Hilfe der Hybridbremse oder Kurzschlussbremse entnommen wird, desto geringer ist die Drehmomentabweichung nach dem Überschreiten der Schwelle I1.
  • Das nach Überschreitung des Grenzwertes I1 durch den Motorstrom IM zusätzlich aufgebrachte Anzugsmoment ist abhängig von verschiedenen Parametern. Hierzu gehören die Akkuspannung, die Motortemperatur, die Getriebetemperatur, die Stellung des Gasgebeschalters und der gewählte Getriebegang.
  • Die Spannung des Akkumulators 40 nimmt ab, je weniger Restladung im Akkumulator 40 vorhanden ist. Bei einem vollgeladenen Akkumulator ist die Drehzahl n des Elektromotors 14 größer als bei einem fast leeren Akkumulator 40.
  • Durch eine Änderung der Wicklungstemperatur des Elektromotors 14 verändert sich dessen Stromaufnahme und somit auch das bei einem bestimmten Strom IM abgegebene Drehmoment. Dies hat wiederum Auswirkungen auf die Drehzahl n.
  • Steigt die Getriebetemperatur an, so nimmt die Viskosität ab, und der Wirkungsgrad des Getriebes 16 erhöht sich, da die Reibung geringer wird.
  • Der Benutzer des Schraubers 10 kann ferner mit Hilfe des Gasgebeschalters 32 die Drehzahl n des Schraubers 10 beeinflussen.
  • Da der Schrauber 10 sowohl ein Ein- als auch ein Mehrganggetriebe enthalten kann, sollte ferner der eingestellte Gang detektiert werden. Da sowohl das abgegebene Drehmoment M als auch die Abtriebsdrehzahl davon abhängen, können Parameter innerhalb der Steuereinrichtung 36 bzw. des Mikroprozessors 37 angepasst werden, um ein bestmöglichen Schraubergebnis zu erhalten.
  • Zur Berücksichtigung und Kompensation dieser Parameter sind die Signale der Sensoren 24, 26, 28, 30 für die Getriebetemperatur, die Motortemperatur, die Drehzahl und die Gangerkennung sowie des Spannungssensors 39 für die Überwachung der Akkumulatorspannung der Steuereinrichtung 36 zugeführt. Die durch diese Parameter bedingten Abweichungen werden empirisch ermittelt und im Speicher 43 abgelegt, so dass die Steuereinrichtung 36 eine entsprechende Kompensation vornehmen kann.
  • Der Ablauf einer Verschraubung ist im Ablaufdiagramm 70 gemäß Fig. 3 dargestellt und wird im Folgenden erläutert:
  • Nach dem Start 72 wird zunächst ein mit Hilfe des Stellelementes 34 eingestelltes Abschaltdrehmoment eingelesen, vgl. Schritt 74. Im nächsten Schritt 76 wird aus dem eingelesenen Abschaltdrehmoment aus dem bekannten direkt proportionalen Zusammenhang zwischen Drehmoment M und Motorstrom IM ein Grenzwert I1 für den Motorstrom berechnet, bei dem eine Abschaltung des Antriebs 12 erfolgt. In erster Näherung wird hierzu das eingestellte Abschaltdrehmoment M durch die Proportionalitätskonstante kt dividiert, um den Motorstrom zu bestimmen. Ein gewisser Wert ΔIM wird hiervon substrahiert, um eine Kompensation für die nach der Überschreitung des Grenzwertes I1 für den Motorstrom IM noch erzeugten Drehmomentanteile zu erlauben. Beispielsweise werden 10 % vom errechneten Motorstrom abgezogen, um den Grenzwert I1 zu bestimmen. Anschließend wird gemäß Ziffer 78 der Schraubvorgang gestartet. Während des Schraubvorgangs wird ständig der Motorstrom IM mit Hilfe des Stromsensors 38 gemessen, wobei eine Mittelwertbildung erfolgt.
  • In der nachfolgenden Abfrage 82 wird überprüft, ob der gemittelte Motorstrom IM den zuvor bestimmten Grenzwert I1 überschreitet. Ist dies nicht der Fall, so wird der Elektromotor 14 weiter angetrieben. Sobald der Grenzwert I1 überschritten wird, so wird im nachfolgenden Vorgang 84 die aktuelle Drehzahl n erfasst und die kinetische Energie gemäß Ziffer 86 berechnet. Die kinetische Energie Ekin des Antriebs 12 ergibt sich in erster Näherung aus der Formel Ekin = 1/2 Jn2, wobei J das Trägheitsmoment des Antriebs 12 und n die Drehzahl des Antriebs 12 ist. Die übrigen Einflussfaktoren, wie Akkuspannung, Motortemperatur, Getriebetemperatur, Stellung des Gasgebeschalters und eingestellte Getriebeübersetzung werden parametrisch berücksichtigt.
  • Nachfolgend wird gemäß Ziffer 88 der Einsatzzeitpunkt t1 der Bremse berechnet und der Schraubvorgang zunächst gemäß Ziffer 90 fortgesetzt. Erreicht gemäß der nachfolgenden Abfrage 92 die Zeit t den Bremszeitpunkt t > t1 so wird der Motor gemäß 94 abgebremst, bis dieser schließlich gemäß 96 zum Stillstand kommt.
  • Es versteht sich, dass an Stelle der Bestimmung eines Bremszeitpunktes alternativ auch der kumulierte Drehwinkel bestimmt werden könnte, bei Überschreitung die Bremsung eingeleitet wird. Zur Bestimmung des Drehwinkels könnte etwa der Positionsgeber 58 genutzt werden.
  • In den Figuren 6 und 7 ist beispielhaft ein Verschraubungsvorgang mit einer langsamen Drehzahl dargestellt. Fig. 6 zeigt beispielhaft den Verlauf des Motorstroms IM in Abhängigkeit von der Zeit t. Der Schraubvorgang beginnt zunächst im Diagramm mit dem Leerlauf. Der Start ist nicht dargestellt. Der erste, sehr lange Anstieg markiert beispielsweise das Gewindefurchen einer selbstschneidenden Blechschraube Daran anschließend gibt es ein kleines Plateau, in dem der Strom nur sehr gering ansteigt. Dieser Bereich erstreckt sich vom Ende des Gewindefurchens bis zur Kopfauflage. Die Kopfauflage ist durch einen sehr stark ansteigenden Strom gekennzeichnet. Überschreitet der Strom IM die Schwelle I1, so wird die Zeit (oder alternativ der Drehwinkel) bis zum Beginn der Abbremsung berechnet. Da bei dieser Verschraubung die Spannung und somit auch die Drehzahl n sehr gering ist, ist die Zeit zwischen der Überschreitung der Schwelle I1 und dem Beginn des Bremsvorgangs t1 sehr lang, die eigentliche Bremszeit jedoch kurz. Der nachfolgende rapide Stromanstieg bei 95 während des Bremsvorgangs ist dadurch zu erklären, dass aktiv, d.h. mit Hilfe der Hybridbremse abgebremst wird. Würde dagegen während des Bremsvorgangs nur eine Kurzschlussbremse zum Einsatz kommen, so wäre der Strom ab dem Beginn des Bremsvorgangs 0.
  • In Fig. 7 ist ein Ausschnitt aus Fig. 6 vergrößert dargestellt.
  • Die Zeit zwischen dem Beginn des Wartezustands bei IM > I1 bis zum Bremsbeginn bei t > t1 ist hieraus besser ersichtlich.
  • In den Figuren 8 und 9 ist der Verlauf einer Verschraubung mit einer hohen Drehzahl dargestellt. Der Verlauf entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 6 gezeigten Verlauf. Infolge der erhöhten Drehzahl ist der Zeitraum zwischen dem Überschreiten des Grenzwertes I1 des Motorstroms IM und im Beginn des Bremsvorgangs t1 allerdings geringer als bei der Darstellung gemäß Fig. 6 bzw. 7. Verlängert ist dagegen die Zeit des aktiven Abbremsens. Die Zeit zwischen der Überschreitung des Grenzwertes für den Strom I1 und dem Ende des Abbremsvorgangs ist jedoch gleich lang wie bei langsamer Drehzahl. Mit 95 ist der Bremsvorgang bezeichnet. Gemäß der verwendeten Hybridbremsung ist der Bremsstrom hierbei auf einen Maximalwert begrenzt, wie durch den waagerechten Verlauf bis zum Ende des Bremsvorgangs ersichtlich ist.

Claims (15)

  1. Schrauber mit einem Antrieb (12), der einen Elektromotor (14) umfasst, der mit einer Antriebswelle (20) zum Antrieb eines Werkzeugs (22) zum Anziehen einer Verschraubung mit einem vorbestimmten Anzugsmoment gekoppelt ist, mit einem Stromsensor (38) zur Erfassung eines Motorstroms (IM), mit einer Steuereinrichtung (36) zur Steuerung des Antriebs (12), wobei die Steuereinrichtung (36) zur Abbremsung des Antriebs (12) bei Erreichen eines Bremskriteriums ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (36) auf der Basis des vorbestimmten Anzugsmoments zur Berechnung eines Grenzwertes (I1) für den Motorstrom (IM) ausgebildet ist, bei Überschreiten dessen der Antrieb (12) in einen Wartezustand versetzt wird, dass die Steuereinrichtung (36) bei Überschreitung des Grenzwertes (I1) für den Motorstrom (IM) für die Bestimmung des Bremskriteriums auf der Basis des vorbestimmten Anzugsmoments zur Berechnung einer Aktivierungszeit (t1) oder eines Drehwinkels (n1), bei Überschreiten dessen der Bremsvorgang eingeleitet wird, zumindest in Abhängigkeit von der kinetischen Energie (Ekin) des Antriebs (12) zum Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwertes (I1) für den Motorstrom (IM) ausgebildet ist, und dass der Elektromotor (14) während des Wartezustands bis zum Einleiten des Bremsvorgangs weiter bestromt wird, gar nicht oder nur teilweise bestromt wird.
  2. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (36) zur Berechnung eines Mittelwerts des Motorstroms (IM) ausgebildet ist, der für die Berechnung des Grenzwertes (I1) für den Motorstrom (IM) verwendet wird.
  3. Schrauber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (I1) für den Motorstrom (IM) aus einem direkt proportionalen Zusammenhang (M = kt ● IM) zwischen dem Drehmoment (M) und dem Motorstrom (IM) abgeleitet wird.
  4. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (14) ein elektronisch kommutierter Elektromotor ist, vorzugsweise ein permanenterregter Synchrinmotor, weiter bevorzugt ein BLDC-Motor ist
  5. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (24, 26, 28, 30, 38, 39) zur Erfassung zumindest eines Parameters vorgesehen ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Temperatur eines Getriebes (16), mit dem der Elektromotor (14) gekoppelt ist, einer Temperatur des Elektromotors (14), einer Drehzahl des Elektromotors (14), einem Übersetzungsverhältnis des Getriebes (16) und einer Versorgungsspannung des Schraubers (10) besteht.
  6. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zur Bestimmung der kinetischen Energie (Ekin) des Antriebs (12) zum Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwert (I1) für den Motorstrom auf der Basis von Parametern ausgebildet ist, die zumindest die Drehzahl (n) des Antriebs (12) und ein Trägheitsmoment (J) des Antriebs (12) umfassen.
  7. Schrauber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter das Übersetzungsverhältnis des Antriebs (12) und die Drehzahl des Elektromotors (14) umfassen, und dass die Parameter vorzugsweise zumindest einen weiteren Parameter umfassen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Versorgungsspannung des Schraubers (10), einer Temperatur des Elektromotors (14) und einer Temperatur eines mit dem Elektromotor gekoppelten Getriebes (16) gebildet ist.
  8. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (36) zur Speicherung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Bremskriterium und den Parametern, die zur Bestimmung des Bremskriteriums verwendet werden, und zur Bestimmung des Bremskriteriums unter Berücksichtigung des funktionalen Zusammenhangs ausgebildet ist.
  9. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Anzugsmoment einstellbar ist, vorzugsweise mit Hilfe eines Potentiometers (34), wobei das Potentiometer (34) vorzugsweise bei niedrigeren Anzugsmomenten eine höhere Auflösung als bei hohen Anzugsmomenten aufweist.
  10. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (36) für die Bremsung des Elektromotors (14) zum Kurzschließen des Elektromotors (14) für einen ersten Zeitabschnitt (Δt1) ausgebildet ist.
  11. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (36) für die Bremsung des Elektromotors (14) zum Bestromen des Elektromotors (14) für einen zweiten Zeitabschnitt (Δt2), entgegen seinem ursprünglichen Drehsinn ausgebildet ist.
  12. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (36) eine Pulsweitenmodulationssteuerung (46) zur Ansteuerung des Elektromotors (14) aufweist.
  13. Schrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (14) einen permanenterregten Rotor (42) aufweist, dem zumindest ein Positionsgeber (58), vorzugsweise ein Hall-Sensor, zur Erfassung der Position des Rotors (42) zugeordnet ist.
  14. Schrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zur mittelbaren Erfassung der Position des Rotors (42) über die Gegeninduktion einer Erregerwicklung (60, 62, 64) des Elektromotors (14) ausgebildet ist.
  15. Verfahren zum Steuern eines Schraubers (10), um eine Verschraubung mit einem vorbestimmten Anzugsmoment mittels eines von einem Antrieb (12) antreibbaren Werkzeugs (22) anzuziehen, mit den folgenden Schritten:
    - Erfassen eines vorbestimmten Anzugsmoments;
    - auf der Basis des vorbestimmten Anzugsmoments Berechnen eines Grenzwertes (I1) für den Motorstrom (IM), bei Überschreiten dessen der Antrieb (12) in einen Wartezustand überführt wird,;
    - Anziehen der Verschraubung durch Antreiben des Werkzeugs (22);
    - Überwachen des Motorstroms (IM) und Überführen des Antriebs (12) in den Wartezustand bei Überschreiten des Grenzwertes (I1) für den Motorstrom (IM);
    - Bestimmen einer kinetischen Energie (Ekin) des Antriebs (12) zum Zeitpunkt des Überschreitens des Grenzwertes (I1) für den Motorstrom (IM);
    - Bestimmen eines Bremskriteriums zur Einleitung einer Bremsung des Antriebs (12) zumindest auf der Basis der kinetischen Energie (Ekin) des Antrieb (12) des Überschreitens des Grenzwertes (I1) für den Motorstrom (IM) und
    - Einleiten eines Bremsvorgangs bei Erreichen des Bremskriteriums;
    - wobei der Antriebsmotor (14) während des Wartezustands bis zum Einleiten des Bremsvorgangs weiter bestromt wird, gar nicht oder nur teilweise bestromt wird.
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