Handwerkzeugmaschine und Steuerungsverfahren

Abstract

 Eine Handwerkzeugmaschine hat eine Werkzeugaufnahme 2 zum Aufnehmen eines Werkzeugs 4 längs einer Arbeitsachse 11, einen Motor 5 und eine Sperrkörperkupplung 21 mit einer Anzahl von Sperrkörpern. Ein Sensor 27 dient zum Aufzeichnen eines Messsignals 28 als Maß für Vibrationen innerhalb der Handwerkzeugmaschine 1. Ein Bandbreitenfilter 29 hat einen Durchlassbereich, in dem eine Frequenz gleich dem Produkt der Drehzahl des antriebsseitigen Rads 22 mit der Anzahl N der Sperrkörper 24 liegt. Einer Auswertungseinheit 30 wird das von dem Bandbreitenfilter 29 gefilterte Messsignal 28 zugeführt. Die Auswertungseinheit 30 reduziert bei Überschreiten eines Grenzwertes durch das gefilterte Messsignal 28 die Drehzahl des Motors 5.

Beschreibung

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Handwerkzeugmaschine, die eine Sperrkörperkupplung zum Unterbrechen eines drehenden Antriebs eines Werkzeugs aufweist.

[0002] Beispielsweise beschreibt die US 2009/008115 einen Bohrhammer mit einer mechanischen Sperrkörperkupplung. Die Sperrkörperkupplung löst aus, wenn ein an dem Bohrer anliegendes Drehmoment ein Auslösemoment überschreitet. Die Sperrkörperkupplung wird dabei hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, wenn der Anwender fortgesetzt versucht seine Arbeit fortzusetzen.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0003] Eine erfindungsgemäße Handwerkzeugmaschine hat eine Werkzeugaufnahme zum Aufnehmen eines Werkzeugs längs einer Arbeitsachse, einen Motor und eine Sperrkörperkupplung. Die Sperrkörperkupplung hat ein antriebsseitiges Rad und ein abtriebsseitiges Rad und eine Anzahl N von zwischen dem antriebsseitigen Rad und dem abtriebsseitigen Rad angeordneter Sperrkörper. Die Sperrkörper sind relativ zu einem der Räder beweglich. Eine Federkraft hält die Sperrkörper in Eingriff mit dem einen Rad zum Übertragen eines Drehmoments von dem antriebsseitigen Rad auf das abtriebsseitige Rad. Bei Anliegen eines einen Schwellwert überschreitenden Drehmoments unterbrechen die beweglich gehaltenen Sperrkörper das Übertragen des Drehmoments. Ein Sensor dient zum Aufzeichnen eines Messsignals als Maß für Beschleunigungen innerhalb der Handwerkzeugmaschine. Ein Bandbreitenfilter hat einen Durchlassbereich, in dem eine Frequenz gleich dem Produkt der Drehzahl des antriebsseitigen Rads mit der Anzahl N der Sperrkörper liegt. Einer Auswertungseinheit wird das von dem Bandbreitenfilter gefilterte Messsignal zugeführt. Die Auswertungseinheit reduziert bei Überschreiten eines Grenzwertes durch das gefilterte Messsignal die Drehzahl des Motors.

[0004] Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren zeichnet ein Messsignal als Maß für Beschleunigungen innerhalb der Handwerkzeugmaschine auf. Die Beschleunigungen können insbesondere Drehbeschleunigungen oder eine Änderung einer Drehgeschwindigkeit um die Arbeitsachse der Handwerkzeugmaschine sein. Die Signalstärke des Messsignals wird in einem Frequenzband um eine Frequenz gleich dem Produkt der Drehzahl des antriebsseitigen Rads mit der Anzahl der Sperrkörper ermittelt. Der Filter selektiert Beschleunigen und Vibrationen, die aufgrund ihres periodischen Auftretens der Sperrkörperkupplung zugeordnet werden. Die Leistungsaufnahme der Handwerkzeugmaschine wird reduziert, wenn die Signalstärke in dem Frequenzband einen Schwellwert überschreitet. Der Anwender erhält in gewohnter Weise eine Rückmeldung durch die durchdrehende Sperrkörperkupplung, dass ein anliegendes Drehmoment eine eingestellte Grenze überschreitet. Das nachträgliche automatische Verringern der Motorleistung erhöht die Lebensdauer der Sperrkörperkupplung.

[0005] Die Handwerkzeugmaschine kann die Drehzahl des antriebsseitigen Rads messen und das Frequenzband an die gemessene Drehzahl anpassen.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0006] Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Bohrhammer

[0007] Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

[0008] Fig. 1 zeigt als Beispiel einer meißelnden Handwerkzeugmaschine schematisch einen Bohrhammer 1. Der Bohrhammer 1 hat eine Werkzeugaufnahme 2, in welche ein Schaftende 3 eines Werkzeug, z.B. eines des Bohrers 4, eingesetzt werden kann. Einen primären Antrieb des Bohrhammers 1 bildet ein Motor 5, welcher ein Schlagwerk 6 und eine Abtriebswelle 7 antreibt. Ein Batteriepaket 8 oder eine Netzleitung versorgt den Motor 5 mit Strom. Ein Anwender kann den Bohrhammer 1 mittels eines Handgriffs 9 führen und mittels eines Systemschalters 10 den Bohrhammer 1 in Betrieb nehmen. Im Betrieb dreht der Bohrhammer 1 den Bohrer 4 kontinuierlich um eine Arbeitsachse 11 und kann dabei den Bohrer 4 in Schlagrichtung 12 längs der Arbeitsachse 11 in einen Untergrund schlagen.

[0009] Das Schlagwerk 6 ist ein pneumatisches Schlagwerk 6. Ein Erregerkolben 13 und ein Schläger 14 sind in einem Führungsrohr 15 in dem Schlagwerk 6 längs der Arbeitsachse 11 beweglich geführt. Der Erregerkolben 13 ist über einen Exzenter 16 an den Motor 5 angekoppelt und zu einer periodischen, linearen Bewegung gezwungen. Ein Pleuel 17 verbindet den Exzenter 16 mit dem Erregerkolben 13. Eine Luftfeder gebildet durch eine pneumatische Kammer 18 zwischen dem Erregerkolben 13 und dem Schläger 14 koppelt eine Bewegung des Schlägers 14 an die Bewegung des Erregerkolbens 13 an. Der Schläger 14 kann direkt auf ein hinteres Ende des Bohrers 4 aufschlagen oder mittelbar über einen im Wesentlichen ruhenden Zwischenschläger 19 einen Teil seines Impuls auf den Bohrer 4 übertragen. Das Schlagwerk 6 und vorzugsweise die weiteren Antriebskomponenten sind innerhalb eines Maschinengehäuses 20 angeordnet.

[0010] Die Abtriebswelle 7 ist über eine mechanische Sperrkörperkupplung 21 an den Motor 5 angekoppelt. Die beispielhafte Sperrkörperkupplung 21 hat ein Kegelrad 22, das um die Arbeitsachse 11 dreht. Ein von dem Motor 5 angetriebenes Kegelrad 23 kämmt mit dem Kegelrad 22 der Sperrkörperkupplung 21. Das Kegelrad 22 ist über Sperrkörpern 24 mit einer Drehscheibe 25 gekoppelt. Die Drehschreibe 25 ist um die gleiche Achse wie das Kegelrad 23 drehbar gelagert, hier um die Arbeitsachse 11. Die Drehscheibe 25 ist längs der Arbeitsachse 11 beweglich. Die Drehscheibe 25 ist in einer ersten Stellung so nahe an dem Kegelrad 23, dass die Sperrkörper 24 sowohl in das Kegelrad 22 als auch die Drehscheibe 25 eingreifen. Das Drehmoment von dem Kegelrad 22 wird auf die Drehscheibe 25 übertragen. Die Drehscheibe 25 kann sich von dem Kegelrad 22 soweit längs der Arbeitsachse 11 in eine zweite Stellung entfernen, dass die Sperrkörper 24 nicht mehr in Drehscheibe 25 eingreifen. Die Sperrkörperkupplung 21 ist geöffnet. Eine Feder 26 wirkt der Auslenkung der Drehscheibe 25 aus der ersten Stellung entgegen. Die Sperrkörper 24 sind beispielhaft Kugeln, welche in Taschen im Kegelrad 22 gefangen und in Taschen in die Drehscheibe 25 eingreifen können. Die Sperrkörperkupplung 21 ist beim Eingriff der Kugeln in die Taschen geschlossen und überträgt ein Drehmoment. Die dargestellte Sperrkörperkupplung ist exemplarisch. Bei einer alternativen Sperrkörperkupplung kann die Drehscheibe innerhalb des Kegelrades angeordnet sein, die Sperrkörper sind in radialer Richtung federbelastet beweglich.

[0011] Der Bohrhammer 1 reduziert das Drehmoment, wenn die Sperrkörperkupplung 21 anspricht, beispielsweise weil der Bohrer 4 im Untergrund blockiert. Der Bohrhammer 1 hat einen Sensor 27, der in dem Maschinengehäuse auftretende Vibrationen erfasst. Der Sensor 27 kann insbesondere ein Gyrosensor sein, der Drehbewegungen um eine Achse parallel zu der Arbeitsachse 11 erfasst. Während des Betriebs des Bohrhammers 1 treten unterschiedliche Beschleunigungen auf, z.B. aufgrund des Schlagwerks 6 und des drehenden Motors 5. Die Sperrkörperkupplung 21 erzeugt beim Übergang von der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung einen Ruck im Antriebsstrang durch die Ankopplung des Bohrers 4 an dem Motor 5. Der Ruck als einzelnes Ereignis ist wenig spezifisch und beispielsweise abhängig von der Größe des Bohrers 4 und dem Material des Untergrunds. Sofern die Blockade des Bohrers 4 andauert, öffnet und schließt sich die Sperrkörperkupplung 21 periodisch. Die Dauer zwischen zwei Schließvorgängen bestimmt sich durch die Drehzahl des antreibenden Kegelrads 22 und den Winkel, um welchen das Kegelrad 23 gedreht werden muss, bis die Sperrkörper 24 wieder einrasten können. Der Winkel ist invers proportional zu der Anzahl der Sperrkörper 24. Das Messsignal 28 des Sensors 27 wird einem Bandbreitenfilter 29 zugeführt. Das Bandbreitenfilter 29 ist in seiner Charakteristik auf die Sperrkörperkupplung 21 abgestimmt. Die Mittenfrequenz des Bandbreitenfilters 29 ist vorzugsweise gleich dem Produkt aus der Drehzahl des angetriebenen Kegelrads 22 und der Anzahl der Sperrkörper 24. Die Anzahl der Sperrkörper 24 ist als feste Größe in der Auswertungseinheit 30 hinterlegt. Die Drehzahl des Kegelrads 22 ist aufgrund der festen Getriebeuntersetzung in bekannter Weise proportional zu der Motordrehzahl, welche per Sensor erfasst oder bei einem drehzahl-geregelten Motor 5 von der entsprechenden Drehzahlregelung 31 abgefragt wird. Die Auslösefrequenz der Sperrkörperkupplung 21 kann niedriger als die berechnete Frequenz sein, weil sich die Antriebsspindel aufgrund ihres Drehimpulses weiterdreht. In der Regel nimmt der Drehimpuls, insbesondere bei einer Last an dem Bohrer 4, jedoch rasch ab. Das Frequenzband liegt in einem Bereich von 75 % bis 150 % der berechneten Mittenfrequenz.

[0012] Die Auswertungseinheit 30 gibt ein Störsignal 32 aus, wenn das gefilterte Messsignal 33 einen Grenzwert überschreitet. Das Störsignal 32 wird an die Motorsteuerung 31 weitergeleitet, welche daraufhin die Drehzahl des Motors 5 reduziert. Die Drehzahl wird vorzugsweise soweit reduziert, bis das gefilterte Messsignal 33 unterhalb des Grenzwerts liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform, reduziert die Motorsteuerung 31 die Drehzahl erst wenn der Grenzwert für eine vorbestimmte Dauer, z.B. wenigstens 2 Sekunden, überschritten wurde. Der Anwender realisiert das Auslösen der Sperrkörperkupplung 21 und bekommt auf diese Weise eine klare Rückmeldung, weshalb die Motorleistung reduziert oder auf Null gesetzt wurde.

[0013] Das Bandbreitenfilter 29 hat vorzugsweise eine einstellbare Mittenfrequenz. Das Bandbreitenfilter 29 erfasst die Drehzahl des Kegelrads 22 und passt vorlaufend die Mittenfrequenz an. Das Bandbreitenfilter 29 ist vorzugsweise als digitales Filter implementiert, z.B. als Softwareroutine in einem Signalprozessor. Der Signalprozessor kann parallel in mehreren Frequenzbändern die Signalstärke ermitteln. Der Auswertungseinheit 30 wird die Signalstärke des Frequenzbands zugeführt, dessen Mittenfrequenz dem Produkt aus Anzahl der Sperrkörper 24 und Drehzahl am nächsten kommt.

Ansprüche

1. Handwerkzeugmaschine mit
einer Werkzeugaufnahme (2) zum Aufnehmen eines Werkzeugs (4) längs einer Arbeitsachse (11),
einem Motor (5),
einer Sperrkörperkupplung (21), die ein antriebsseitiges Rad (22) und ein abtriebsseitiges Rad (25) und eine Anzahl (N) von zwischen dem antriebsseitigen Rad und dem abtriebsseitigen Rad (25) angeordneter Sperrkörper (24) aufweist, wobei die Sperrkörper (24) relativ zu einem der Räder (22) beweglich sind und durch eine Federkraft in Eingriff mit dem einen Rad (22) zum Übertragen eines Drehmoments von dem antriebsseitigen Rad (22) auf das abtriebsseitige Rad (25) und zum Unterbrechen des Übertragens des Drehmoments bei Anliegen eines einen Schwellwert überschreitenden Drehmoments gehalten sind,
einem Sensor (27) zum Aufzeichnen eines Messsignals (28) von Bewegungen der Handwerkzeugmaschine (1),
einem Bandbreitenfilter (29), in dessen Durchlassbereich das Produkt der Drehzahl des antriebsseitigen Rads (22) mit der Anzahl (N) der Sperrkörper (24) liegt,
einer Auswertungseinheit (30), der das von dem Bandbreitenfilter (29) gefilterte Messsignal (28) zugeführt ist und die ansprechend auf ein Überschreiten eines Grenzwertes durch das gefilterte Messsignal (33) die Drehzahl des Motors (5) reduziert.

2. Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (27) ein Gyrosensor zum Erfassen eines Messsignals (28) als Maß für Drehbewegungen um die Arbeitsachse ist.

3. Steuerungsverfahren für eine Handwerkzeugmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 mit den Schritten:

Aufzeichnen eines Messsignals (28) als Maß für Bewegungen der Handwerkzeugmaschine (1)

Ermitteln der Signalstärke des Messsignals (28) in einem Frequenzband um eine Frequenz gleich dem Produkt der Drehzahl des antriebsseitigen Rads (22) mit der Anzahl (N) der Sperrkörper (24),

Reduzieren einer Leistungsaufnahme der Handwerkzeugmaschine (1), wenn die Signalstärke in dem Frequenzband einen Schwellwert überschreitet.

4. Steuerungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzband innerhalb von 75 % bis 150 % des Produkts der Anzahl von Sperrkörpern (24) und der Drehzahl des antriebsseitigen Rads (22) liegt.

5. Steuerungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Drehzahl erst reduziert wird, nachdem eine die Amplitude den Grenzwert für eine Mindestdauer überschreitet.

6. Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des antriebsseitigen Rads (22) gemessen und das Frequenzband an die gemessene Drehzahl angepasst wird.

7. Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal ein Maß für Drehbewegungen um die Arbeitsachse der Handwerkzeugmaschine ist.

Zeichnung