Steuerungsverfahren für eine handgeführte Werkzeugmaschine und Werkzeugmaschine

Abstract

 Eine handgeführte drehende Werkzeugmaschine hat einen Elektromotor zum Antreiben eines drehenden Werkzeugs, eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Blockade des Werkzeugs und eine Ansteuerungseinrichtung, die ansprechend auf eine durch die Sensoreinrichtung erfasste Blockade eine Drehrichtung des Elektromotors vor der Blockade für eine vorbestimmte Dauer umkehrt und unmittelbar anschließend den Elektromotor veranlasst wieder in der Drehrichtung zu drehen.

Beschreibung

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für eine handgeführte Werkzeugmaschine und eine Werkzeugmaschine.

[0002] Aus der US 5,584,619 A ist ein Schutzmechanismus für eine Bohrmaschine bekannt, welcher bei einem Blockieren eines Bohrers den Anwender vor einer übermäßigen Belastung schützen soll. Sobald ein Blockieren erkannt oder erwartet wird, deaktiviert sich die Bohrmaschine. Es können Fälle auftreten, in den sich der Bohrer dauerhaft verklemmt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0003] Eine Aufgabe besteht in einem Steuerungsverfahren, das den Anwender schützt und einem dauerhaften Verklemmen eines Bohrers entgegenwirkt.

[0004] Bei dem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren für eine handgeführte Werkzeugmaschine, dreht sich ein antreibender Elektromotor in einer gegenüber einer Drehrichtung vor einer Blockade umgekehrten Drehrichtung für eine Dauer, wenn eine Blockade erfasst wird. Unmittelbar anschließend an die Dauer dreht sich der Elektromotor wieder in der Drehrichtung vor der Blockade.

[0005] Das Steuerungsverfahren erweist sich überraschend als qualitativ verschieden von einem kurzzeitigen Unterbrechen des Antriebsstrangs durch eine Rutschkupplung beim Blockieren und eines periodischen Unterbrechens bei einem dauerhaften Blockieren. Dabei kann der Anwender zwar nachfolgend, ebenfalls mit Unterstützung des Elektromotors, versuchen das Werkzeug zu lösen, Versuche zeigen aber eine bei weitem geringere Erfolgsrate als bei einer aktiven Umkehr der Drehrichtung. Dies ist insbesondere auch deshalb überraschend, als dass der Bohrer bei einer Blockade zumeist nicht nur in Vorwärts- sondern auch in Rückwärtsrichtung verklemmt ist. Es wird vermutet, dass das Entspannen des Bohrers beim Umdrehen der Drehrichtung einen positiven Einfluss haben könnte. Der Mehrwert überwiegt den offensichtlichen Nachteil einer höheren Belastung der Bohrmaschine beim Drehen entgegen der standardmäßigen Drehrichtung für welche Zahnräder und Kupplungen nicht ausgelegt oder nur mit Mehraufwand auslegbar sind.

[0006] Die handgeführte drehende Werkzeugmaschine, z.B. für einen Bohrer, hat einen Elektromotor zum Antreiben eines drehenden Werkzeugs, eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Blockade des Werkzeugs; eine Ansteuerungseinrichtung, die ansprechend auf eine durch die Sensoreinrichtung erfasste Blockade eine Drehrichtung des Elektromotors vor der Blockade für eine Dauer umkehrt und unmittelbar anschließend den Elektromotor veranlasst wieder in der Drehrichtung zu drehen. Die Drehrichtung wechselt somit nach einer Blockade kurzzeitig von einer Vorwärtsrichtung zu einer Rückwärtsrichtung und sofort anschließend wieder in eine Vorwärtsrichtung. Der Motor wird dabei nicht zwischenzeitlich abgeschaltet, sondern ist alternierend am Bremsen und Beschleunigen. Das Wechseln der Drehrichtung kann auch mehrfach wiederholt werden.

[0007] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Dauer 25 ms bis 1000 ms beträgt.

[0008] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Sensoreinrichtung ein Drehen einer Werkzeugaufnahme entgegen der Arbeitsrichtung erfasst und darauf ansprechend ein Drehen des Elektromotors in Drehrichtung vor der Blockade veranlasst.

[0009] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Sensoreinrichtung basierend auf einer Leistungsaufnahme, z.B. der Stromaufnahme, des Elektromotors eine Blockade des Bohrers erkennt.

[0010] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Drehbeschleunigung bei der Blockade erfasst wird und die Dauer in Abhängigkeit der erfassten Drehbeschleunigung des Gehäuses festgelegt wird. Je geringer die Drehbeschleunigung beim Anschlagen des Bohrers ist, um so stabiler scheint ein Anwender die Maschine trotz Blockade führen zu können. Es zeigt sich, dass es vorteilhaft ist, die Dauer zu vergrößern, wenn der Anwender die Maschine gut führen kann, d.h. die Drehbeschleunigung gering ist. Andernfalls muss die Dauer verringert werden.

[0011] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass nach einem ersten Blockadefall Schwellwerte zum Erkennen eines Blockadefalls für eine zweite Dauer verringert werden. Nachdem erstmals eine Blockade erkannt wurde, kann vorsorglich bereits eine unmittelbar nachfolgende Blockade beim Vorwärtsdrehen des Bohrers erwartet werden. Hierdurch wird die Reaktionszeit vorteilhaft verringert. Die zweite Dauer kann das zweifache bis fünffache der zuvor genannten Dauer betragen.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0012] Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:

Fig. 1

eine handgeführte Bohrmaschine und

Fig. 2

ein Steuerungsverfahren.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

[0013] Fig. 1 zeigt eine handgeführte Bohrmaschine 10. Die Bohrmaschine 10 hat ein Maschinengehäuse 11 und einen oder zwei Handgriffe 12 zum Halten der Bohrmaschine 10 durch einen Anwender. Der Handgriff 12 kann starr mit dem Maschinengehäuse 11 oder mittels vibrationsdämpfender Elemente 13 an dem Maschinengehäuse 11 angelegt sein.

[0014] In dem Maschinengehäuse 11 treibt ein Elektromotor 14 eine Spindel 15 an. Der Elektromotor 14 ist beispielsweise ein mechanisch oder elektronisch kommutierender Gleichstrommotor oder ein asynchroner Wechselstrommotor. In einem Kraftübertragungspfad zwischen Spindel 15 und Elektromotor 14 können ein Getriebe 16 und/oder eine Überlastkupplung 17, z.B. eine Rutschkupplung geschaltet sein. Die Spindel 15 überträgt ihre Drehbewegung mittels einer Werkzeugaufnahme 18 auf einen Bohrer 19.

[0015] Bei der Bohrmaschine 10 ist eine Drehrichtung der Drehbewegung der Spindel 15 und damit auch des Elektromotors 14 typischerweise fest vorgegeben und auf die Bauweise der Bohrer 19 abgestimmt. Die Drehrichtung für den standardmäßigen Betrieb wird nachfolgend als Arbeitsrichtung 20 oder vorwärts bezeichnet. Bei anderen Handwerkzeugmaschinen, z.B. einem Schrauber, kann die Arbeitsrichtung 20 durch einen Benutzer eingestellt werden.

[0016] Ein Betätigungstaster 21 zum Aktivieren der Bohrmaschine 10 ist vorzugsweise an dem Handgriff 12 oder an dem Maschinengehäuse 11 angeordnet. In einer Ausführungsform ist der Betätigungstaster 21 in einen Stromkreis zwischen einer Stromquelle 22, z.B. einem Akku oder einem Netzanschluss, und dem Elektromotor 14 geschaltet. Die Bohrmaschine 10 schaltet sich ab, wenn der Anwender den Betätigungstaster 21 loslässt. Der Betätigungstaster 21 kann auch einen Verriegelungsmechanismus beinhalten, der einen dauerhaften Betrieb der Bohrmaschine 10 auch ohne durchgehendes Betätigen des Betätigungstasters 21 ermöglicht.

[0017] Der Betätigungstaster 21 aktiviert eine Ansteuerungseinrichtung 23 für den Elektromotor 14, sobald er gedrückt wird. Die Ansteuerungseinrichtung 23 kontrolliert die Drehrichtung des Elektromotors 14 und gegebenenfalls auch die Leistungsabgabe des Elektromotors 14. Je nach Typ des Elektromotors 14 steuert die Ansteuerungseinrichtung 23 in verschiedener Weise die Drehrichtung des Elektromotors 14. Bei einem mechanisch kommutierenden Gleichstrommotor, z.B. Universalmotor, wird eine Stromflussrichtung durch die Wicklungen in Abhängigkeit der gewünschten Drehrichtung eingestellt. Bei einem asynchronen Wechselstrommotor oder einem elektrisch kommutierenden Gleichstrommotor wird die Drehrichtung durch eine Zeitabfolge vorgegeben, in welcher Wicklungen des Elektromotors 14 mit Strom gespeist werden.

[0018] Die Bohrmaschine 10 übt auf den Anwender ein rückwirkendes Drehmoment aus, welches sich als Reaktion auf das von dem Bohrer 19 auf das Werkstück übertragene Drehmoment ergibt. Solang das Werkstück beim Bohren nachgibt, ist das rückwirkende Drehmoment gering. Bei einem Blockieren eines Bohrers in dem Werkstück ergibt sich aufgrund der schlagartig abgebremsten rotierenden Baugruppen ein hohes rückwirkendes Drehmoment. Der Anwender kann diesem rückwirkenden Drehmoment nicht mehr ausreichend entgegenwirken, weshalb sich die gesamte Bohrmaschine 10 einschließlich der Handgriffe 12 um die Drehachse des Bohrers 19 zu drehen beginnt. Um Verletzungen des Anwenders vorzubeugen ist es nun vorteilhaft, die Handgriffe 12 von allen oder zumindest einen Teil der rotierenden Baugruppen zu entkoppeln und/oder abzubremsen, um Verletzungen des Anwenders vorzubeugen.

[0019] Fig. 2 illustriert ein Steuerungsverfahren für die Bohrmaschine 10, das ein Blockieren des Bohrers 19 berücksichtigt. Wenn der Anwender den Betätigungstaster 21 betätigt (Einschaltfall 100) wird die Ansteuerungseinrichtung 23 aktiviert oder freigeschaltet (Startaktion 101). Ansprechend auf Steuersignale der Ansteuerungseinrichtung 23 wird der Elektromotor 14 mit der Stromquelle 22 verbunden und dreht sich in Arbeitsrichtung 20 (Betriebsaktion 102). Die Spindel 15 und der in die Werkzeugaufnahme 18 eingesetzte Bohrer 19 drehen sich vorwärts, in Arbeitsrichtung 20. Sobald der Anwender den Betätigungstaster 21 loslässt (Abschaltfall 103), wird der Elektromotor 14 von der Stromquelle 22 getrennt (Stoppaktion 104). Zusätzlich kann die Ansteuerungseinrichtung 23 den Elektromotor 14 aktiv abbremsen. Hierzu können beispielsweise die Wicklungen kurzgeschlossen werden.

[0020] Solange die Bohrmaschine 10 in Betrieb ist, d.h. der Anwender den Betätigungstaster 21 betätigt, überwacht eine Sensoreinrichtung 24 das Betriebsverhalten auf ein Blockieren des Bohrers 19 hin (Überwachungsaktion 105). Sobald die Sensoreinrichtung 24 ein Blockieren erkennt (Blockadefall 106, Zeitpunkt t0), wird die Drehrichtung des Elektromotors 14 umgedreht. Der Elektromotor 14 wird dazu aktiv bis zum Stillstand abgebremst (Sicherheitsaktion 107). Eine erste Dauer T1 bis der Elektromotor 14 gestoppt ist, hängt unter Anderem von einem Drehmoment des Elektromotors 14 ab. Sobald der Stillstand des Elektromotor 14 erreicht ist, beschleunigt dieser sofort rückwärts weiter, entgegen der vorigen Arbeitsrichtung 20 (Umkehraktion 108). Für eine zweite Dauer T2 im Bereich z.B. zwischen 25 ms und 1000 ms, vorzugsweise zwischen 25 ms und 200 ms, dreht sich der Elektromotor 14 rückwärts. Gegenüber dem Zeitpunkt, an dem ein Blockieren erfasst wurde, wird der Elektromotor 14 um einen Winkel zurückgedreht. Die Spindel 15 und der Bohrer 19 folgen zumindest teilweise der rückwärtslaufenden Drehbewegung des Elektromotors 14. Aufgrund der Trägheit und Elastizität der Komponenten in dem Kraftübertragungspfad, z.B. der Spindel 15, und auch des Bohrers 19 verdrillen sich diese während des Blockierens und entspannen sich während des Rückwärtsdrehens des Elektromotors 14. Die Drehrichtung wird anschließend an die zweite Dauer T2 erneut gewechselt und der Elektromotor 14 dreht wieder vorwärts (Betriebaufnahmeaktion 109). Die Sensoreinrichtung 24 überwacht wieder das Betriebsverhalten, falls sie zweckmäßigerweise während des Rückwärtsdrehens deaktiviert wurde.

[0021] Die Ursache der Blockade ist häufig nach einem einmaligen Rücksetzen des Elektromotors 14 um einen Winkel durch die Sicherheitsaktion 107 und Umkehraktion 108 und die anschließende Betriebaufnahmeaktion 109 nicht behoben. Die Sensoreinrichtung 24 erkennt erneut ein Blockieren (Blockadefall 106, Zeitpunkt t1) und wird in diesem Fall erneut ein Rücksetzen des Elektromotors 14, d.h. die Sicherheitsaktion 107, Umkehraktion 108 und die anschließende Betriebaufnahmeaktion 109 auslösen. Die Drehrichtung des Elektromotors 14 wechselt in Folge nahezu periodisch für mehrere Zyklen. Der Elektromotor 14 bleibt während der mehreren Zyklen dauerhaft in Betrieb. Einzig ein Drehsinn des von ihm ausgeübten Drehmoments wechselt von in Arbeitsrichtung 20 zur gegenläufigen Richtung (Sicherheitsaktion 107, Umkehraktion 108) und wieder zur Arbeitsrichtung (Betriebaufnahmeaktion 109). Der Elektromotor 14 würde nur abgeschaltet, falls der Anwender den Betätigungstaster 21 loslässt (Abschaltfall 103).

[0022] In einer Ausführungsform hat die Sensoreinrichtung 24 einen oder mehrere Beschleunigungssensoren 25 an dem Maschinengehäuse 11 oder dem Handgriff 12, die vorzugsweise versetzt zu einer Drehachse 26 der Spindel 15 angeordnet sind. Die Beschleunigungssensoren 25 erfassen eine Drehbewegung des Maschinengehäuses 11. Die erfassten Beschleunigungswerte werden aufbereitet und mit einem Maß verglichen, das charakteristisch für ein Blockieren ist. Das Maß kann beispielsweise auf dem aktuellen Beschleunigungswert und einer Historie der Beschleunigungswerte basieren. Sobald das Maß einen Schwellwert überschreitet, erkennt die Sensoreinrichtung 24 dies als ein Blockieren (Blockadefall 105). Das Erkennen eines erneuten Blockierens innerhalb von 20 ms bis 2000 ms kann anhand anderer Kriterien erfolgen, als das Erkennen des vorhergehenden Blockierens. Insbesondere kann ein geringerer Schwellwert angesetzt werden.

[0023] In einer weiteren Ausführungsform hat die Sensoreinrichtung 24 einen oder mehrere Stromsensoren 27, die eine Leistungsaufnahme des Elektromotors 14 erfassen. Die Leistungsaufnahme steigt typischerweise sprunghaft an, wenn der Bohrer 19 sich kurz vor einer Blockade schwergängig dreht. Die Stromsensoren 27 können beispielsweise in einer Motoransteuerung für den elektrisch kommutierten Elektromotor enthalten sein. Das Maß zum Erkennen des Blockierens kann auf den Stromwerten und/oder auf den obig beschriebenen Beschleunigungswerten basieren.

[0024] Die zweite Dauer T2 für die der Elektromotor 14 sich rückwärts dreht, kann für die Bohrmaschine 10 fest vorgegeben sein. In einer Ausgestaltung ist eine Sensoreinrichtung 28 vorgesehen, die eine Drehrichtung der Werkzeugaufnahme 18 ermittelt. Nachdem ein Rückwärtsdrehen der Werkzeugaufnahme 18, z.B. um einen Winkel von 2 Grad bis 5 Grad ermittelt wird, wird die zweite Dauer T2 beendet und der Elektromotor 14 dreht sich wieder vorwärts. Die Sensoreinrichtung 28 kann beispielsweise das Drehen der Werkzeugaufnahme 18 mittels induktiver Sensoren erfassen.

[0025] Eine andere Ausgestaltung ermittelt das auf die Spindel 15 wirkende Drehmoment, d.h. das von dem Elektromotor 14 abgegebene Drehmoment, während der zweiten Dauer T2. Sobald das Drehmoment unter einen Schwellwert fällt, wird die zweite Dauer T2 beendet. Es wird angenommen, dass der Elektromotor 14 mit fallender Last ein geringeres Drehmoment abgibt. Die Last reduziert sich, sobald der Bohrer 19 und andere zu drehenden Elemente 15, 16, 17, 18 gegen ihre Trägheitsmomente beschleunigt sind und sich rückwärts drehen.

[0026] In einer weitere Ausgestaltung erfasst eine Sensoreinrichtung 29 mit Dehnungssensoren eine Verspannung der Spindel 15. Die zweite Dauer T2 endet, wenn die Sensoreinrichtung 29 ein Abfallen einer Verspannung unter einen Schwellwert erfassen. Die Verspannung lässt nach, wenn der Bohrer 19 sich rückwärts dreht und nicht weiter oder in geringem Maß beschleunigt wird.

[0027] Die Verfahren und Sensoreinrichtungen, die ein Beenden der zweiten Dauer T2 auslösen, können in vielfältiger Weise kombiniert werden. Zusätzlich kann die zweite Dauer T2 auf einen vorgegebenen Maximalwert von z.B. 10 ms bis 25 ms begrenzt werden.

[0028] Die Ausführungsformen verdeutlichen Beispiele der Erfindung. Diese sind nicht beschränkend auszulegen, insbesondere können zwischen den angeführten Aktionen weitere Aktionen ausgeführt werden, soweit dies nicht explizit anders gefordert ist.

Ansprüche

1. Steuerungsverfahren für eine handgeführte drehenden Werkzeugmaschine (10), insbesondere eine Bohrmaschine, bei welchem ansprechend auf ein Erfassen einer Blockade eines drehenden Werkzeugs (24) ein antreibender Elektromotor (19) seine Drehrichtung gegenüber seiner Drehrichtung (20) vor der Blockade für eine Dauer umkehrt und sich unmittelbar anschließend wieder in der Drehrichtung (20) vor der Blockade dreht.

2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer 25 ms bis 1000 ms beträgt.

3. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (28, 29) ein Drehen des Werkzeugs (19) entgegen der Arbeitsrichtung (20) erfasst und darauf ansprechend ein Drehen des Elektromotors (14) in Drehrichtung (20) vor der Blockade veranlasst.

4. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (27) basierend auf einer Leistungsaufnahme des Elektromotors (14) eine Blockade des Werkzeugs erkennt.

5. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung basierend auf einer Drehbeschleunigung (25) der Handwerkzeugmaschine (10) eine Blockade des Werkzeugs erkennt.

6. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehbeschleunigung eines Gehäuses (11) oder Handgriffs (12) der Handwerkzeugmaschine (10) bei der Blockade erfasst wird und die Dauer in Abhängigkeit der erfassten Drehbeschleunigung festgelegt wird.

7. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem ersten Blockadefall Schwellwerte zum Erkennen eines Blockadefalls für eine zweite Dauer verringert werden.

8. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung nach einer erstmaligen Blockade wenigstens fünfmal periodisch gewechselt wird.

9. Handgeführte drehende Werkzeugmaschine (10) mit
einem Elektromotor (14) zum Antreiben eines drehenden Werkzeugs (19),
einer Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Blockade des Werkzeugs (19);
einer Ansteuerungseinrichtung (23), die ansprechend auf eine durch die Sensoreinrichtung erfasste Blockade eine Drehrichtung des Elektromotors vor der Blockade für eine vorbestimmte Dauer umkehrt und unmittelbar anschließend den Elektromotor (14) veranlasst wieder in der Drehrichtung zu drehen.

Zeichnung