CN110430957B - 用于控制电动工具的方法以及设置用于实施该方法的电动工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制电动工具的方法，所述电动工具例如是钻机、摆锯机、盘锯机或刺锯机，所述电动工具具有至少一个用于加工由不同材料制成的工件(3)的加工工具，所述材料例如是木材、金属或塑料，所述加工工具例如是钻头或锯片，所述方法具有以下步骤：由先前检测的测量值来查明要加工的工件(3)的工件特征；由要加工的工件(3)的所述工件特征来确定工件材料；预先设定用于机器参数的初始值，所述机器参数如进给、转速和转矩，所述初始值适合于利用电动工具来加工由确定的工件材料制成的工件(3)；在机器参数调整到初始值的情况下存储用于开始运行电动工具的初始值和/或在机器参数调整到初始值的情况下开始运行电动工具。本发明的特征在于，作为要加工的工件(3)的工件特征按照牛顿冷却定律来查明冷却常数，其中，为了查明冷却常数测量或预先设定周围环境温度，使工件(3)升温，直至达到预先设定的初始温度，并且然后，在经过预先设定的持续时间之后，测量工件(3)的实际温度，紧接着计算冷却常数。此外，本发明涉及一种设置用于实施该方法的电动工具。

Description

用于控制电动工具的方法以及设置用于实施该方法的电动 工具
技术领域
本发明涉及一种用于控制电动工具的方法，以及一种为此设置的电动工具。
背景技术
在本发明的范围内，电动工具是指一种电气驱动的工具机，例如手持式钻机、手持式盘锯或手持式刺锯或诸如此类，也指固定的工具机，例如台式盘锯。
在这种工具机中，出于安全原因已经提出借助于在工具机的工作区域内的传感器来检测在那里是否是机器操纵者的肢体，从而于是能相应地作出反应，例如可以停止工具机，以便阻止严重的事故。因此，欧洲专利申请EP 2 386 383 A1指明了一种工具机监控装置，该工具机监控装置具有用于借助于光辐射的光谱分析在工具机工作范围内识别人体组织存在的识别单元。光电二极管检测LED红外光的反射。在此之后，将检测到的响应与在数据库中所存储的值相比较，所述值分别与信息“人体组织在此/不在此”相关联。
欧洲专利申请EP 2 073 954 A1和EP 2 064 480 A1示出类似内容，其中，代替光电二极管使用了超宽频雷达传感器。
对工具机(例如盘锯)另外的安全措施涉及避免由于加工工具过热的事故。锯片在锯切时由于在此发生的摩擦而因此发热。在利用过热的锯片工作时可能产生致命的裂纹。因此，为了避免锯片过热，例如在德国实用新型DE 20 2013 007 344 U1中提出，借助于红外传感器来检测锯片的表面温度并且将其作为用于工具控制装置的输入参数来使用，所述工具控制装置例如相应地控制锯片的转速。
另外的安全措施的目的在于，识别在要加工的工具中是否包含异物，亦即例如在要锯切的板中是否包含钉子，例如参见德国专利申请DE 10 2008 054 701 A1。
不同的材料具有不同的冷却常数，所述冷却常数例如可以根据所谓的激光闪光分析方法来查明。除了冷却常数，不同的材料也具有各自不同的温度或热传导能力。例如在美国专利文献US 2016/033,431 A1、US 2014/3301,424 A1和US 4928254中以不同的形式描述了使用激光闪光分析方法用以查明温度或热传导能力。美国专利文献US 5,489,778 A1公开了一种用于区分各材料的方法，其中，对这些材料施加激光并且然后借助于相应的传感器来分析所述材料的热脉冲响应。
美国专利申请US 2016/0016240 A1公开了一种电动工具，其中，不同的工件特性(例如工件的密度)可以借助于不同的传感器来检测，以便确定工件材料或者以便确定是否在工件材料中存在异物，例如在木材中的钉子。在此，作为传感器例如考虑光学、声学、基于摄像机、电容式、电感式、压电式、热或磁的传感器以及超声波或红外传感器或运动测量器。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，改善电动工具的操作，以及延长其使用寿命并且提高运行安全性。
这些目的在一种电动工具的控制方法方面利用按照本发明的用于控制电动工具的方法来实现，在一种电动工具方面利用按照本发明的电动工具本身来实现。
如所述的那样，本发明涉及一种电动工具，例如钻机、摆锯机、盘锯机或刺锯机，但特别是构成为手持工具的电动工具，所述电动工具具有至少一个加工工具，例如钻头、锯片或锯带并且所述电动工具适合于加工由不同材料制成的工件。因此，可以利用钻机加工例如由木材、金属或塑料制成的工件。
按照本发明的用于电动工具的控制方法的特征在于以下步骤：
由先前检测的测量值来查明要加工的工件的冷却常数；由所查明的冷却常数确定工件材料；预先设定用于机器参数(如电动工具的进给、转速和转矩)的初始值，所述初始值适合于利用电动工具来加工该工件；以及在机器参数调整到初始值的情况下存储用于开始运行电动工具的初始值或在机器参数调整到初始值的情况下开始运行电动工具。在简单且以较少花费可行的解决方案的意义下，在此为了查明冷却常数而测量周围环境温度，或者，如果例如先前已知地、预先设定地、以及使该工件还相对于周围环境温度升温直至达到预先设定的初始温度，并且然后，在经过要定义的或预先设定的持续时间之后，测量工件的实际温度，更确切地说优选是在工件上在之前使工件升温的点处测量。
于是，可以以简单的方式按照以下公式来计算冷却常数：
Figure GDA0002717047650000031
其中，
t：定义的时刻
k：冷却常数，
TA：在t0＝0时刻的工件的温度，
TU：周围环境温度，以及
T：在所定义的时刻t的工件的温度。
为了使工件升温，电动工具优选可以具有激光束源、特别是激光二极管，此外优选地所述激光束源适合于将点状激光束发射到工件上。
显而易见地，所述控制方法同样可以包括随后的加工步骤，在所述加工步骤中，在机器参数调整到初始值的情况下利用电动工具来加工工件。在此，该加工要么可以在机器参数调整到初始值的情况下不变地
Figure GDA0002717047650000032
进行；要么至少基于调整到初始值的机器参数，其中，所述机器参数的值能在工作流程中可再校准，例如响应于另外的输入量、例如工件的加工工具的温度变化或者检测到的例外状态：例如在加工区域内存在人体组织。按照本发明的电动工具相应地设置用于实施所述控制方法并且与此相应地具有为此所必需的软件和硬件。
一方面，这可以是机器控制装置，所述机器控制装置设置为用于由先前检测的测量值来查明要加工的工件的冷却常数、用于由所查明的冷却常数确定工件材料、用于预先设定用于机器参数(如进给、转速和转矩)的初始值，所述初始值适合于利用电动工具来加工由确定的工件材料制成的工件、以及用于存储在机器参数调整到初始值的情况下用于开始运行电动工具的初始值和/或用于在机器参数调整到初始值的情况下开始运行电动工具。
为此，所述机器控制装置可以包括具有合适的数据存储器的微控制器或微处理器，在所述机器控制装置上保存有相应的控制例程。此外，所述机器控制装置可以包括本地或远程存储的数据库，在所述数据库中保存有确定的材料的冷却常数，从而在确定工件材料时可以由所查明的冷却常数追溯到(例如以查找表的形式的)数据库，或者可以从数据库中选择与所查明的冷却常数相关联的工件材料。
虽然冷却常数并非仅通过工件材料定义，从而不同材料的工件理论上可能具有相同的冷却常数。然而，在当前的应用情况下，一方面，对于要加工的工件予以考虑的材料的数量是强烈受限的，更确切地说，限制于十分不同的材料(例如钻机：砖瓦、混凝土、瓷砖、金属、塑料、木材)。另一方面，可以规定用于标准情况的工件表面。因此，例如对于予以考虑的材料的冷却常数的典型值能够保存在查找表中，所述典型值之前例如通过在相应的物体(例如“在内部区域中的瓷砖墙”)上的测量序列已经确定。于是，算法可以根据测量当前的冷却常数来访问查找表并且寻找最贴近的值，由此得出工件材料。
此外，所述机器控制装置可以包括具有机器参数的适合于确定的材料的初始值的数据库，从而可以通过从相应的数据库中选择初始值来实现将电动工具预先设定或者说预先调整到该初始值。此外，也可以以数据库形式作为机器控制装置的部分使机器参数的合适的初始值与相应于不同的工具材料的冷却常数值相关联地存在，从而使由所查明的冷却常数来确定工件材料的方法步骤以及然后根据所确定的工具材料来预先设定初始值可以相应简化地或事先在创建相应的数据库的情况下进行。
所述数据库可以以可事后扩展的形式来维持，以便能扩充用于新材料的数据组。也可以设想的是，设置用于接收在确定的冷却常数的情况下曾经使用的机器参数值的学习功能。
有利地，为了查明冷却常数而检测温度值，此外更确切地说优选非接触式地检测。相应地，所述电动工具有利地具有至少一个温度传感器，此外优选是非接触式工作的温度传感器、例如红外温度传感器。
在此，要检测的温度值当然可以包括工件温度值，因为甚至也应当查明其冷却常数。在本发明的改型中，同样可设想的是，代替或补充冷却常数而确定另外的、定义工件材料的、与温度相关的常数，例如由温度值确定热或温度传导能力。因此，例如可设想的是，在被逐点加热的工件上检测温度并且检测在确定的时间之后在与加热点间隔开已知距离的点处出现的温度，以便因此确定工件的温度传导能力，或者由此推导所述工件的冷却常数。
如果所使用的红外温度传感器设置为测量其自身的温度、即传感器温度，则这可以考虑为周围环境温度TU的值，而可以在工件上测量经过时间t后的实际温度T和初始温度TA。有利地，在此这样实施使工件升温，使得不会损坏工件。所希望的初始温度TA因此应当处于会使工件遭受损坏的温度之下。在此有利地，在工件升温期间，持续地检测是否达到所希望的初始温度TA，为此，进一步有利地使用温度传感器。然而，也可设想的是，预先设定确定的预热时间并且然后测量初始温度。
为了阻止红外温度传感器的损坏或者由于反射的激光束对测量值的影响，温度传感器和激光源还优选这样接通，即，特别是借助于脉冲宽度调制，使得它们从不同时地而是交替地或者说依次地运行。
为了简化特别是用于手动工具的新提出的控制方法的使用，在此，温度传感器和/或激光束源这样安装在电动工具旁边或电动工具上，使得其对准沿加工工具的加工方向处于加工工具前方的点。有利地，于是由使用者使电动工具连同其加工工具沿要加工的工件的方向定向，即连同其加工工具沿所规定的加工方向定向，其中，借助于激光束源使工件升温和借助于温度传感器来测量工件温度可以在同一进程中进行。
为了提升材料确定的准确度，可以测量或者由测量来查明工件的另外的材料特性，例如激光束亦或其他发射到在工件上的辐射(例如在确定频率范围内的可见光或热辐射)的反射，或在所反射的辐射中的相位移动等。此外，除了材料特性也可以考虑用于预先调整机器参数的另外的工件特性、例如尺寸，如在锯切时的工具厚度、要实施切割的长度等等。此外，当然也可以使预先设定的或预先调整的机器参数载入到预先调整可调整的机器参数的初始值中。预先设定的机器参数例如可以是加工工具的类型(石钻、木钻或金属钻)或者冷却类型等等。
附图说明
根据附图更详细地阐述本发明的有利的实施方式。在此，唯一的附图仅示出在要加工的工件附近的工具传感机构的原理草图。
具体实施方式
牛顿冷却定律按照所解算的微分方程以其书写方式为：
Figure GDA0002717047650000061
其中，
t：时间，
k：冷却常数，
TA：在t0＝0时刻的物体温度，
TU：周围环境温度，
T：在t时刻的物体温度。
在本发明的范围内，提出一种设备或方法，以便非接触式地确定物体或工件的冷却常数并且由此又确定该工件由何种材料构成。为此，首先通过红外温度传感器1测量周围环境温度。为此假设传感器温度本身等于周围环境温度TU。红外温度传感器1不仅能够确定其传感器温度，也能够确定不与该传感器接触的其它物体的温度。现在，点状激光束通过激光二极管2对准要确定的工件3，以便使所述工件升温。在此，红外温度传感器1测量所述工件的温度。
为了阻止红外温度传感器1的损坏或者由于反射的激光束对测量值的影响，激光二极管2和红外温度传感器1通过脉冲宽度调制或诸如此类方式接通，亦即，激光二极管2和红外温度传感器1从不同时地运行，而总是仅依次地运行。如果达到希望的初始温度TA，则关断激光二极管2并且在所定义的时间间隔t之后由红外温度传感器1再次测量工件3的温度T，所述初始温度当然必须处于以任何方式使工件3逐步损坏的温度之下。
于是，形成机器控制装置的至少一部分的微控制器或微处理器(通过所述微控制器或微处理器来检测和存储红外温度传感器1的测量值，并且通过所述微控制器或微处理器来调节红外温度传感器1和激光二极管2)计算冷却常数k，并且通过算法(在最简单的情况中是查找表)来计算构成工件3的材料。
上述描述的非接触式工作的材料检测(未明确示出地)在电动工具中实现、主要在这样的可以加工不同的材料或材料类型的电动工具中实现，所述电动工具例如钻机或摆锯机、盘锯机或刺锯机。
在使用中，由使用者首先使电动工具沿朝向要加工的工件3的方向运动。在此，所描述的温度传感器1与电动工具的加工工具(例如钻头或锯片)指向相同的方向，所描述的激光二极管2同样如此。所述两者相应地安装在电动工具旁边或电动工具上。所描述的非接触式的材料传感器确定要加工的工件3的材料特性，例如要加工的工件3是金属、木材还是石材。因此，电动工具在开始加工工件3前自行配置，亦即，电子地或通过相应的执行器使电动工具的加工工具的例如进给、转速和转矩适配于工件3的材料特性。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所示的实施方式进行改型和修改。

Claims (36)

1.用于控制电动工具的方法，所述电动工具具有至少一个用于加工由不同材料制成的工件(3)的加工工具，所述方法具有以下步骤：
由先前检测的测量值来查明要加工的工件(3)的工件特征，
由要加工的工件(3)的所述工件特征来确定工件材料，
预先设定用于机器参数的初始值，所述初始值适合于利用电动工具来加工由确定的工件材料制成的工件(3)，
在机器参数调整到初始值的情况下存储用于开始运行电动工具的初始值和/或在机器参数调整到初始值的情况下开始运行电动工具，
其特征在于，
作为所述要加工的工件(3)的工件特征按照牛顿冷却定律来查明冷却常数，其中，
为了查明冷却常数而测量或预先设定周围环境温度，使工件(3)升温直至达到预先设定的初始温度，并且然后在经过预先设定的持续时间之后，测量工件(3)的实际温度，紧接着根据以下公式计算冷却常数：
Figure FDA0003010761660000011
其中，
t：定义的时刻，
k：冷却常数，
TA：在t0＝0时刻的工件(3)的温度，
TU：周围环境温度，
T：在所定义的时刻t的工件(3)的温度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电动工具是钻机、摆锯机、盘锯机或刺锯机。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料是木材、金属或塑料。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工工具是钻头或锯片。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器参数是进给、转速和转矩。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在机器参数调整到初始值的情况下随后利用电动工具来加工工件(3)，其中，该加工要么在机器参数调整到初始值的情况下不变地进行；要么至少基于调整到初始值的、但在工作过程中能再校准的机器参数。
7.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，为了查明所述冷却常数而非接触式地检测温度值，其中，使工件(3)非接触式地升温直至达到预先设定的初始温度。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，借助于激光束源使工件(3)非接触式地升温。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光束源是激光二极管(2)。
10.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，为了确定所述工件材料，将所查明的冷却常数与不同材料的工件的冷却常数的已知和/或所存储的值相比较。
11.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，为了查明所述冷却常数而实施激光闪光分析，为了使工件(3)升温，将来自激光束源的点状激光束对准工件(3)。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，借助于非接触式工作的红外温度传感器(1)实施激光闪光分析，所述红外温度传感器用于测量其传感器温度作为周围环境温度以及用于测量工件(3)的表面温度。
13.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光束源是激光二极管(2)。
14.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在所述工件(3)升温期间，持续地检测是否达到预先设定的初始温度。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述工件(3)升温期间，利用温度传感器持续地检测是否达到预先设定的初始温度。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述温度传感器是红外温度传感器(1)。
17.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，所述红外温度传感器和激光束源被接通为使得它们交替地运行。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，所述红外温度传感器和激光束源通过脉冲宽度调制来接通。
19.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在预先设定用于机器参数的初始值时，考虑表征工件(3)特征的另外的工件特性。
20.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，所述另外的工件特性是工件厚度。
21.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，所述另外的工件特性同样由借助于至少一个附加传感器所检测的至少一个附加测量值来确定。
22.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在确定工件材料时，除了冷却常数，一同包括补充的工件材料特性，所述补充的工件材料特性由借助于至少一个补充传感器所检测的至少一个补充测量值来查明。
23.按照权利要求22所述的方法，其特征在于，所述补充的工件材料特性是在确定的波谱中的反射率。
24.电动工具，所述电动工具具有至少一个加工工具，用以加工由不同材料制成的工件(3)，其特征在于，所述电动工具设置为用于实施按照权利要求1至23之一所述的方法。
25.按照权利要求24所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具是钻机、摆锯机、盘锯机或刺锯机。
26.按照权利要求24所述的电动工具，其特征在于，所述加工工具是钻头或锯片。
27.按照权利要求24所述的电动工具，其特征在于，所述材料是木材、金属或塑料。
28.按照权利要求24至27之一所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具具有机器控制装置，所述机器控制装置设置为用于由先前检测的测量值来查明要加工的工件(3)的冷却常数、用于由所查明的冷却常数确定工件材料、用于预先设定用于机器参数的初始值，所述初始值适合于利用电动工具来加工由确定的工件材料制成的工件(3)、以及用于在机器参数调整到初始值的情况下存储用于开始运行电动工具的初始值和/或用于在机器参数调整到初始值的情况下开始运行电动工具。
29.按照权利要求28所述的电动工具，其特征在于，所述机器参数是进给、转速和转矩。
30.按照权利要求28所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具具有电子器件和/或多个执行器，以便调整所述初始值。
31.按照权利要求24至27之一所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具具有至少一个非接触式工作的温度传感器，其用于测量其传感器温度作为周围环境温度以及用于测量工件(3)的表面温度以查明所述冷却常数。
32.按照权利要求31所述的电动工具，其特征在于，所述温度传感器是红外温度传感器(1)，所述红外温度传感器适合于测量其传感器温度和工件(3)的表面温度。
33.按照权利要求24至27之一所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具具有激光束源，所述激光束源适合于将点状的激光束对准工件(3)并且使工件(3)非接触式地升温以查明所述冷却常数。
34.按照权利要求33所述的电动工具，其特征在于，所述激光束源是激光二极管(2)。
35.按照权利要求31所述的电动工具，其特征在于，所述温度传感器安装在电动工具旁边或电动工具上，使得其对准或能定向于沿加工工具的加工方向处在加工工具前方的点。
36.按照权利要求33所述的电动工具，其特征在于，所述激光束源安装在电动工具旁边或电动工具上，使得其对准或能定向于沿加工工具的加工方向处在加工工具前方的点。
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