DE102008033866A1

DE102008033866A1 - Steuerungseinrichtung für einen elektrischen Antriebsmotor und Werkzeugmaschine

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Publication number: DE102008033866A1
Application number: DE102008033866A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Steimel
Original assignee: Festool GmbH
Current assignee: Festool GmbH
Priority date: 2008-07-19
Filing date: 2008-07-19
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-20
Also published as: DE102008033866B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit eichtung zur Steuerung oder Regelung eines elektrischen Antriebsmotors (12) eines Antriebsstrangs (11) einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Schraub-Werkzeugmaschine (10), mit einer Begrenzungseinrichtung (31) zur Begrenzung eines an dem Antriebsstrang (11) abtriebsseitig bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab) auf einen Drehmoment-Maximalwert (Mmax). Bei der Steuerungseinrichtung ist vorgesehen, dass die Begrenzungseinrichtung (31) zum Senden von Steuerbefehlen (65) zum Ansteuern einer den Antriebsmotor (12) bestromenden Bestromungseinrichtung (22) in einen Bremsbetrieb ausgestaltet ist, in dem die Bestromungseinrichtung (22) ein den Antriebsmotor (12) abbremsendes, zu einer jeweiligen Drehrichtung (63) des Antriebsmotors (12) gegensinniges Drehfeld (64) erzeugt, und dass die Begrenzungseinrichtung (31) zur Begrenzung des abtriebsseitig bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab) auf einen Drehmoment-Maximalwert (Mmax) die Bestromungseinrichtung (22) zu dem Brembetrieb unter mindestens einer Bremsbedingung ansteuert, wobei die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass ein Quotient des Abgabedrehmoments (Mab) und einer in dem Antriebsstrang (11) vorhandenen Rotationsenergie (Erot) kleiner oder gleich einer Maximal-Verhältniszahl (Xmax) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung eines elektrischen Antriebsmotors eines Antriebsstrangs einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Schraub-Werkzeugmaschine, mit einer Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung eines an dem Antriebsstrang abtriebsseitig bereitgestellten Abgabedrehmoments auf einen Drehmoment-Maximalwert, sowie eine mit einer derartigen Steuerungseinrichtung ausgestattete Werkzeugmaschine.
Eine solche Steuerungseinrichtung bzw. eine solche Werkzeugmaschine ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2008 024 286 erläutert. Dort wird vorgeschlagen, beim Erreichen des Drehmoment-Maximalwerts den Antriebsmotor abzuschalten. Ferner ist beschrieben, dass der Antriebsmotor beispielsweise mittels eines Kurzschlusses in einen Bremsbetrieb geschaltet wird.
Sowohl das Abschalten als auch das Bremsen des Antriebsmotors bzw. Antriebsstrangs mittels eines Kurzschlusses des Antriebsmotors können nicht ausreichen, um beispielsweise bei einer kleinen Schraube, die mit hoher Drehzahl, aber kleinem Moment geschraubt wird, ein Abreißen des Schraubkopfes, wenn dieser auf das Werkstück auftrifft, und/oder ein tiefes Eindringen der Schraube in das Werkstück zu vermeiden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerungseinrichtung sowie eine damit ausgestattete Werkzeugmaschine mit einer verbesserten Drehmomentbegrenzung bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe ist bei einer Steuerungseinrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Begrenzungseinrichtung zum Senden von Steuerbefehlen zum Ansteuern einer den Antriebsmotor bestromenden Bestromungseinrichtung in einen Bremsbetrieb ausgestaltet ist, in dem die Bestromungseinrichtung ein den Antriebsmotor abbremsendes, zu einer jeweiligen Drehrichtung des Antriebsmotors gegensinniges Drehfeld erzeugt, und dass die Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung des abtriebsseitig bereitgestellten Abgabedrehmoments auf einen Drehmoment-Maximalwert die Bestromungseinrichtung zu dem Bremsbetrieb unter mindestens einer Bremsbedingung ansteuert, wobei die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass ein Quotient des Abgabedrehmoments und einer in dem Antriebsstrang vorhandenen Rotationsenergie kleiner oder gleich einer Maximal-Verhältniszahl ist. Zur Lösung der Aufgabe ist ferner eine mit einer derartigen Steuerungseinrichtung ausgestattete Werkzeugmaschine, insbesondere eine Hand-Werkzeugmaschine, z. B. ein elektrischer Schrauber, vorgesehen.
Ein erfindungsgemäßer Grundgedanke ist, dass die Bestromungseinrichtung zu einem Bremsbetrieb angesteuert wird, wobei sie ein zur Drehrichtung des Antriebsmotors gegensinniges Drehfeld erzeugt. Der Antriebsmotor wird also sozusagen aktiv abgebremst.
Ein solches Abbremsen ist jedoch nicht in allen Betriebfällen vorteilhaft, z. B. weil dadurch der Energieverbrauch der Hand-Werkzeugmaschine ansteigt, was insbesondere in einem Akkube trieb unerwünscht ist. Ferner würde sich die Maschine erhitzen, was den Kühlaufwand erhöht.
Wenn beispielsweise Schrauben mit relativ großem Moment, jedoch kleiner Drehzahl eingeschraubt werden, ist ein solches Abbremsen nicht vorteilhaft. Wenn beispielsweise eine große Schraube in ein Werkstück eingeschraubt wird, dreht der Antriebsmotor in der Regel mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit, erzeugt jedoch ein hohes Moment. Zwar steigt beispielsweise ein Motorstrom des Antriebsmotors an, wenn die Schraube vollständig eingedreht ist. Die Begrenzungseinrichtung schaltet dann den Antriebsmotor, beispielsweise anhand eines Vergleiches des Drehmoment-Maximalwerts mit einem Motorstromwert oder einem davon abgeleiteten Wert, ab. Auch wenn der Antriebsstrang dann noch kurzzeitig weiterdreht, schadet dies der Schraube nicht.
Anders ist der Fall bei kleinen Schrauben gelagert, insbesondere, wenn sie auf eine harte, unnachgiebige Werkstückoberfläche am Ende eines Einschraubvorgangs auftreffen. Ein solcher harter Schraubfall wird von der Steuerungseinrichtung erfasst. Die Bremsbedingung lautet nämlich dann, dass das Abgabedrehmoment im Verhältnis zur Rotationsenergie des Antriebsstrangs beim Schrauben verhältnismäßig klein ist, beispielsweise gemäß der nachfolgenden Formel: MabErot ≤ Xmax (a)wobei Mab das Abgabedrehmoment, Erot die Rotationsenergie des Antriebsstrangs und Xmax die Maximal-Verhältniszahl ist.
Die Maximal-Verhältniszahl Xmax wird vorzugsweise so gewählt, dass das aktive Abschalten des Antriebsmotors, d. h. das Be stromen in gegensinniger Drehrichtung des Antriebsmotors, insbesondere bei empfindlichen Werkstücken und/oder empfindlichen einzuschraubenden Schrauben eine Beschädigung im Drehmoment-Abschaltfall vermeidet. Es ist möglich, dass die Maximal-Verhältniszahl Xmax an der Steuerungseinrichtung bzw. der Werkzeugmaschine einstellbar ist, beispielsweise mittels eines geeigneten Schalters, einer Parametriersoftware oder dergleichen. Jedenfalls wird durch den erfindungsgemäßen Ansatz berücksichtigt, dass bei beispielsweise kleinen Schrauben das Abgabedrehmoment Mab verhältnismäßig klein ist, während die Drehzahl ω des Antriebsstrangs vergleichsweise groß ist. Die Drehzahl des Antriebsstrangs kann beispielsweise die Drehzahl des Antriebsmotors, die Drehzahl einer Werkzeugaufnahme oder dergleichen sein, wobei vorzugsweise Übersetzungsverhältnisse berücksichtigt werden.
Die nachfolgende Formel (b) verdeutlicht das Verhältnis zwischen der Rotationsenergie Erot und der Drehzahl ω des Antriebsstrangs: Erot = 12 Jω2 (b)wobei J das Trägheitsmoment des Antriebsstranges und ω die Drehzahl des Antriebsstrangs ist, die die Steuerungseinrichtung z. B. anhand der Drehzahl des Antriebsmotors oder einer Werkzeug-Aufnahme ermittelt.
Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung, die beispielsweise Hardware- und/oder Software-Komponenten enthalten kann, stellt eine hohe Dynamik bereit. Die Drehmomentbegrenzung funktioniert auch bei niedrigen Drehmoment-Maximalwerten.
Dennoch ist eine feinfühlige und rechtzeitige Abschaltung auch bei sogenannten harten Schraubfällen, das heißt, wenn spontane Drehmomentspitzen auftreten, ohne weiteres möglich.
Dementsprechend ist es eine vorteilhafte Bremsbedingung, wenn das Abgabedrehmoment Mab im Verhältnis zu der Drehzahl ω des Antriebsstrangs, vorzugsweise zu der ersten Potenz der Drehzahl ω des Antriebsstrangs gesetzt wird. Dies ist bei den nachfolgenden Formeln (c) und (d) der Fall: Mabω ≤ Ymax (c)wobei Ymax eine ab der Steuerungseinrichtung einstellbare oder eingestellte Verhältniszahl in Bezug auf die Drehzahl ω des Antriebsstrangs und bei der nachfolgenden Formel (d) Zmax eine Verhältniszahl bezüglich des Quadrats der Drehzahl ω ist.
Eine weitere, beim Umschalten in den vorteilhaften Bremsbetrieb vorteilhafte Bremsbedingung ist, wenn die Steuerungseinrichtung bzw. die Begrenzungseinrichtung die jeweilige Anstiegsgeschwindigkeit des Abgabedrehmoments bewertet. Wenn das Abgabedrehmoment stark ansteigt, was in der Regel nur bei relativ kleinen Schrauben der Fall ist, wird die Begrenzungseinrichtung die nachfolgende Formel (e) zweckmäßigerweise berücksichtigen: dMabdt ≥ H (e) wobei H die Anstiegsgeschwindigkeit des Abgabedrehmoments Mab ist.
Eine weitere vorteilhafte Bremsbedingung ist, dass das Abgabedrehmoment die vorbestimmte Anstiegsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Mindestdrehzahl des Antriebsmotors erreicht oder überschreitet. D. h. die aktive Bremsung durch Gegenbestromung wird von der Steuerungseinrichtung nur dann aktiviert, wenn beispielsweise kleine Schrauben mit großer Drehzahl gedreht werden. Gerade dann ist die aktive Bremsung vorteilhaft, weil eine große rotatorische Energie im Antriebsstrang ist, die zur Beschädigung der Schraube und/oder des Werkstücks führen könnte. Die entsprechende Bremsbedingung, die die Begrenzungseinrichtung dann prüft, ist durch die nachfolgende Formel (f) abgebildet: ω ≥ ωmin (f)wobei ωmin die Mindestdrehzahl ist.
Wie oben bereits erläutert, ist das aktive Abschalten des Antriebsmotors durch Gegenbestromung besonders dann vorteilhaft, wenn das Abgabedrehmoment vor dem Abschalten verhältnismäßig klein ist, was z. B. beim Schrauben kleiner Schrauben der Fall ist. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass ein vorgebbarer oder vorgegebener Soll-Maximalwert Smax oder das Abgabedrehmoment Mab repräsentierende Abgabedrehmomentwerte vor dem Umschalten gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Schwell-Drehmomentwert Ms ist. Der Schwell-Drehmomentwert Ms ist beispielsweise im Bereich von 2 bis 5 Nm vorteilhaft. Dabei ist also berücksichtigt, dass das Abschalten und Gegenbestromen insbesondere bei kleinen Schrauben, die mit geringem Moment geschraubt werden, vorteilhaft eingesetzt wird.
Die Bremsbedingung kann aber auch umfassen, dass der Drehmoment-Maximalwert, bei dem die Begrenzungseinrichtung aktiv wird, unterhalb eines Schwell-Drehmomentwerts ist. Mab ≤ Ms (g)
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Begrenzungseinrichtung zur Ausgabe der Steuerbefehle in Abhängigkeit von einem Bremsverlauf des Antriebsstranges während des Bremsbetriebs durch gegensinnige Bestromung ausgestaltet ist. Wenn also die aktive Bremsung des Antriebsstranges beispielsweise dazu führt, dass der Drehmoment-Maximalwert nicht oder nur langsam erreicht wird, nimmt die Begrenzungseinrichtung zweckmäßigerweise die Bremswirkung zurück und sendet entsprechende Steuerbefehle an die Bestromungseinrichtung. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Begrenzungseinrichtung zu einer Regelung des Bremsverlaufs ausgestaltet ist. Beispielsweise beobachtet die Steuerungseinrichtung den Drehmoment-Maximalwert, der tatsächlich abtriebsseitig zur Verfügung steht oder der von der Steuerungseinrichtung nachgebildet ist, und sendet entsprechende Steuerbefehle an die Bestromungseinrichtung, um das abbremsende Drehfeld in Abhängigkeit von dem Abgabedrehmoment einzustellen. Jedenfalls ist es vorteilhaft, wenn die Begrenzungseinrichtung den Bremsverlauf so regelt, dass das Abgabedrehmoment den Drehmoment-Maximalwert zügig erreicht, aber nicht überschreitet.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Begrenzungseinrichtung bei Beginn des Bremsbetriebs die Bestromungseinrichtung zu einer stärkeren Bremsung ansteuert und die Bremsung anschließend abhängig vom Bremsverlauf verringert oder regelt. Die Verringerung kann beispielsweise schrittweise erfolgen. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass der Drehmoment-Maximalwert möglichst nicht überschritten wird, jedoch bei Beginn der Bremsung optimal abgebremst wird, um jedenfalls ein Überschreiten des Drehmoment-Maximalwerts zu verhindern.
Zur Ermittlung des real bereitgestellten Abgabedrehmoments Mab sind die nachfolgenden Maßnahmen vorteilhaft:
Die Begrenzungseinrichtung weist vorteilhaft Vergleichsmittel zum Vergleich des Drehmoment-Maximalwerts mit von dem Motorstrom abhängigen inneren Motormomentwerten auf, wobei bei dem Vergleich zur Nachbildung des real bereitgestellten Abgabedrehmoments der jeweilige innere Motormomentwert um einen von einer Beschleunigung des Antriebsstrangs abhängigen Trägheitsmomentwert durch die Begrenzungseinrichtung vermindert oder der Drehmoment-Maximalwert um den von der Beschleunigung des Antriebsstrangs abhängigen Trägheitsmomentwert vergrößert ist.
Die Begrenzungseinrichtung hat z. B. Erzeugungsmittel zum Erzeugen von das real bereitgestellte Abgabedrehmoment repräsentierenden Abgabedrehmomentwerten durch Vermindern der von dem Motorstrom abhängigen inneren Motormomentwerte des Antriebsmotors um die von der Beschleunigung des Antriebsstrangs abhängigen Trägheitsmomentwerte des Antriebsstrangs.
Die Vergleichsmittel vergleichen vorzugsweise anhand des inneren Motormoments ermittelte, dem realen Abgabedrehmomentwert optimal angenäherte Abgabedrehmomentwerte mit dem jeweils eingestellten oder vorgegebenen Drehmoment-Maximalwert. Dazu wird das sogenannte innere Motormoment des Antriebsmotors, das an sich nur von der Motorkonstante und dem Strom, der zur Bestromung des Antriebsmotors verwendet wird, abhängt, um die Trägheitsmomentwerte des Antriebsstranges bereinigt. Die Trägheitsmomentwerte des Antriebsstranges enthalten die dynamische Komponente bei der Berechnung, nämlich die Beschleunigung des Antriebsstranges. Diese Beschleunigung tritt beispielsweise beim Einschalten der Werkzeugmaschine oder beim Zwischenbeschleunigen eines jeweiligen Antriebsstranges auf. Weil die beschleunigungsabhängigen und damit dynamischen Anteile des abtriebsseitigen Abgabedrehmomentes berücksichtigt werden, reagiert die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung sehr schnell und schaltet bei Erreichen des Drehmoment-Maximalwertes ab.
Die Maschine kann mit hoher Beschleunigung anfahren oder zwischenbeschleunigen, ohne dass die Drehmomentbegrenzung unnötig eingreift. Beim Beschleunigen des Antriebsstranges wird das innere Motormoment im wesentlichen zur Überwindung der Trägheit des Antriebsstrangs benötigt. Dies wird von der Steuerungseinrichtung vorteilhaft berücksichtigt. Die von einer Beschleunigung des Antriebsstrangs abhängigen Verhältnisse und nicht eine stationäre, jeweils drehzahlabhängige Energie des Antriebsstrangs bildet die Grundlage zur Drehmomentbegrenzung, so dass statt eines im wesentlichen stationären Betriebszustands ein dynamischer Betriebsfall für die Drehmomentbegrenzung zu Grunde gelegt wird.
Die Steuerungseinrichtung kann vorzugsweise ausschließlich mit Werten des Motorstromes ohne zugehörige Motorspannung arbeiten.
Die Vergleichsbedingung für die Begrenzung des Drehmoments lautet beispielsweise: Mab ≥ Mmax (1)wobei Mab vorteilhaft ein von der Steuerungseinrichtung ermitteltes, sozusagen ”nachgebildetes” Abgabedrehmoment und Mmax der Drehmoment-Maximalwert ist. Ein inneres Drehmoment Mi des Antriebsmotors hängt vom Motorstrom Imot sowie von einer Motorkonstante kt des Antriebsmotors ab: Mab = kt·Imot (2)
Das Abgabedrehmoment Mab errechnet die Steuerungseinrichtung gemäß der nachfolgenden Formel dann folgendermaßen: Mab = Mi – J·a (3)wobei J das Trägheitsmoment des Antriebsstranges und a dessen Beschleunigung ist. Die Beschleunigung a ermittelt die Steuerungseinrichtung gemäß der nachfolgenden Formel als zeitliche Ableitung der Drehzahl ω: a = dωdt (4)
Anhand der Formel (4) lässt sich das Abgabedrehmoment Mab gemäß Formel (3) folgendermaßen ausdrücken: Mab = kt·Imot – J·dωdt (5)
Vorteilhaft ist es für die Steuerungseinrichtung, auch weitere Einflüsse des Antriebsstranges, die das innere Motormoment verringern und abtriebsseitig somit nicht zur Verfügung stehen, zu berücksichtigen. Beispielsweise ist bei der Begrenzungseinrichtung vorgesehen, dass sie auch Reibmomentwerte des Antriebsstranges bei dem Erzeugen der Abgabedrehmomentwerte berücksichtigt. Geht man von im Wesentlichen gleichbleibenden Temperatur- und Drehzahlverhältnissen aus, kann ein Reibmoment Mr des Antriebsstranges als konstant angesetzt werden: Mab = kt·Imot – J·dωdt – Mr (6)
Vorteilhaft ist es allerdings, wenn Einflüsse auf das Reibmoment berücksichtigt werden. Einflüsse sind beispielsweise Temperaturen im Bereich des Antriebsstranges. So wirkt sich beispielsweise eine Temperatur T quadratisch auf den jeweiligen Wert des Reibmomentes Mr aus. Ein Öl oder ein Fett im Antriebsstrang, beispielsweise in einem Getriebe, ist bei absinkender Temperatur wesentlich zähflüssiger als bei höherer Temperatur. Vorteilhaft ist es daher, wenn die Steuerungseinrichtung einen Eingang für einen Temperatursensor aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, beispielsweise bei einem elektrischen Schrauber, ist es vorteilhaft, wenn der Antriebsmotor einen Temperatursensor aufweist, der in der Nähe des Getriebes angeordnet ist. Somit erfasst der Temperatursensor sowohl die Temperatur des Antriebsmotors als auch des Getriebes, was bei der Erzeugung oder Berechnung des Reibmomentwertes oder des Reibmomentwertverlaufes vorteilhaft ist.
Weiterhin wirkt sich eine Drehzahl ω des Antriebsmotors und/oder des Getriebes auf das Reibmoment Mr aus. Auch dies wird von der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung berücksichtigt. Die Drehzahl ω kann dabei auch von einem jeweils eingestellten Übersetzungsverhältnis u des Getriebes abhängig sein. Mab = kt·Imot – J·dωdt – Mr(T, ω, u) (7)
Zweckmäßig ist es bei der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung auch, wenn Begrenzungseinrichtung zur Nachbildung des real bereitgestellten Abgabedrehmoments Mab in Abhängig keit von einer Veränderung eines Solldrehzahlwerts ausgestaltet ist. Z. B. sind die Erzeugungsmittel zum Erzeugen der Abgabedrehmomentwerte in Abhängigkeit von einer Veränderung eines Drehzahl-Sollwertes ausgestaltet. Immer dann, wenn eine Erhöhung der Drehzahl gewünscht ist, steigt zwar der Motorstrom an, beispielsweise weil eine Regelung der Steuerungseinrichtung dies so vorgibt. Die abtriebsseitig zur Verfügung stehende Drehzahl des Antriebsstranges steigt jedoch nicht sofort an, beispielsweise aufgrund magnetischer Einflüsse, aufgrund von Reibungseinflüssen und dergleichen mehr. Beschleunigungswerte stehen daher anfangs zur Ermittlung eines Trägheitsmomentwerts nicht oder nicht ausreichend zur Verfügung. Dies wird bei der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung durch eine zeitlich begrenzte Korrektur berücksichtigt, die mit einem Beschleunigungswunsch einsetzt.
Vorteilhaft sind die Erzeugungsmittel zum Erzeugen der Abgabedrehmomentwerte durch Vermindern der inneren Motormomentwerte Mi um Kompensationswerte K(t) ausgestaltet. Diese Kompensationswerte K(t) dienen zum Kompensieren eines Anstiegs des Motorstroms Imot nach einer Erhöhung eines Drehzahl-Sollwertes ωsoll für einen vorbestimmten Zeitabschnitt. In diesem Zeitabschnitt bewirkt die Erhöhung des Motorstroms Imot zunächst keine Änderung der abtriebsseitig verfügbaren Drehzahl ω und somit keine Beschleunigung des Antriebsstranges. Mab = kt·Imot – J·dωdt – Mr(T, ω, u) – K(t) (8)
Insbesondere dann, wenn die Abgabedrehmomentwerte berechnet werden, wobei Sensorwerte verwendet werden, kann es sein, dass Spitzenwerte, die nicht plausibel sind, auftreten. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Steuerungseinrichtung Plausibi litätsprüfmittel aufweist, beispielsweise Filter, Integriermittel und dergleichen, die eine Plausibilität der Abgabedrehmomentwerte und/oder diesen zugrundeliegender Sensorwerte prüfen. Eine einzelne Überschreitung beispielsweise der Abgabedrehmomentwerte, die sofort zu einer Drehmomentbegrenzung des Antriebsstranges führen würde, kann auf diesem Wege beispielsweise ausgefiltert werden.
Die Plausibilitätsprüfung kann beispielsweise bereits auf Seiten der Erzeugungsmittel stattfinden, sodass die erzeugten Abgabedrehmomentwerte von den Vergleichsmitteln unmittelbar verwendet werden. Aber auch auf Seiten der Vergleichsmittel kann die Plausibilitätsprüfung stattfinden.
Es versteht sich, dass eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung anstelle einer Verminderung des inneren Motormoments Mi um von einer Beschleunigung des Antriebsstrangs abhängige Trägheitsmomentwerten J·a des Antriebsstrangs und/oder um ein Reibmoment Mr und/oder um Kompensationswerte K(t) auch den Drehmoment-Maximalwert entsprechend um von einer Beschleunigung des Antriebsstrangs abhängigen Trägheitsmomentwerte und/oder Reibmomente und/oder um Kompensationswerte erhöhen könnte, bevor sie ihn mit dem inneren Motormoment Mi vergleicht. Diese Vorgehensweise ist äquivalent.
Die Drehmomentbegrenzung der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung wird dann besonders schnell wirksam, wenn sie eine Umschalteinrichtung zum Umschalten des Antriebsmotors in einen Bremsbetrieb aufweist, wenn die Abgabedrehmomentwerte den Drehmoment-Maximalwert erreichen oder überschreiten. Somit geht der Antriebsstrang sofort in Bremsbetrieb und hält an. Insbesondere bei einem harten Schraubfall, der beispielsweise zur Zerstörung der Schraube und/oder eines Schraubeinsatzes eines Schraubers führen könnte, ist dies vorteilhaft. Die Um schalteinrichtung hat beispielsweise einen Schalter zum Kurz schließen des Antriebsmotors. Wenn der Antriebsmotor ein elektronisch kommutierter Antriebsmotor ist, kann auch eine Bestromungseinrichtung zum Bestromen des Antriebsmotors diesen in Gegendrehrichtung bis zum Stillstand des Antriebsstranges bestromen.
Die Begrenzungseinrichtung ist zweckmäßigerweise abschaltbar. Dazu ist vorzugsweise ein separater Schalter vorgesehen. Es versteht sich, dass auch beispielsweise ein Schalter, an dem Drehmoment-Maximalwerte einstellbar sind, zum Abschalten der Begrenzungseinrichtung nutzbar ist.
Bei dem Umschalten in den Bremsbetrieb speist der Antriebsmotor zweckmäßigerweise elektrische Energie in einen elektrischen Energiespeicher zurück, beispielsweise in einen Akkumulator eines Akku-Schraubers.
Die Werkzeugmaschine ist vorzugsweise eine Hand-Werkzeugmaschine. Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine ist zwar zweckmäßigerweise ein Schrauber. Aber auch bei anderen Anwendungsfällen, bei denen ein schnelles, drehmomentabhängiges Abschalten gewünscht ist, kann die Erfindung eingesetzt werden, so zum Beispiel bei Heckenscheren.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigen:
1 ein elektrisches Funktionsschaltbild einer Werkzeugmaschine mit einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung,
2 eine schematische Seitenansicht der Werkzeugmaschine,
3 einen Verlauf eines Abgabedrehmoments der Hand-Werkzeugmaschine gemäß 1, 2 sowie weitere Kurven,
4 Verläufe von Abgabedrehmomenten bei einer aktiven Bremsung durch Gegenbestromung und
5 eine Erregerwicklungsanordnung des Antriebsmotors der Werkzeugmaschine mit Stromverläufen bei einem Bremsbetrieb durch Kurzschluss und bei einem aktiven Abbremsen durch Gegenbestromung.
Ein Antriebsstrang 11 einer Werkzeugmaschine 10, beispielsweise einem elektrischen Schrauber, enthält einen Antriebsmotor 12, der über ein Getriebe 13 eine Antriebsspindel 14 mit einer Werkzeugaufnahme 15 antreibt. In die Werkzeugaufnahme 15 ist beispielsweise ein Schraubereinsatz 16 zum Schrauben einer Schraube einsetzbar.
Der Antriebsstrang 11 wird von einer Steuerungseinrichtung 17 gesteuert. Die Steuerungseinrichtung 17 enthält einen Mikroprozessor 18 zur Ausführung von Programmcode eines Regelungsmoduls 19 sowie eines Begrenzungsmoduls 20, das ein abtriebsseitiges, am Antriebsstrang 11 bereitstehendes Abgabedrehmoment Mab begrenzt. Das Regelungsmodul 19 und das Begrenzungsmodul 20 sind beispielsweise in einem Speicher 21 der Steuerungseinrichtung 17 gespeichert.
Ferner enthält die Steuerungseinrichtung 17 ein Bestromungsmodul 22 zur Erzeugung beispielsweise eines Drehfeldes in einer ersten Richtung 63 und oder einer zweiten Richtung 64 für den Antriebsmotor 12. Das Bestromungsmodul 22 kann auch einen Pulsweitenmodulator enthalten. Der Antriebsmotor 12 kann beispielsweise ein Reihenschlussmotor oder ein elektronisch kom mutierter Motor sein. Anstelle des in die Steuerungseinrichtung 17 integrierten Bestromungsmoduls 22 wäre auch eine von der Steuerungseinrichtung 17 separate und von dieser ansteuerbare Bestromungseinrichtung möglich.
Die elektrische Antriebsenergie für eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine kann zwar beispielsweise von einem Stromnetz bereitgestellt werden. Bei der Werkzeugmaschine 10 ist jedoch ein elektrischer Energiespeicher 23, zum Beispiel ein an ein Gehäuse 25 der Werkzeugmaschine 10 unten angesetzter Akkupack 24, zur Bereitstellung elektrischer Betriebsenergie für die Werkzeugmaschine 10 vorgesehen. Diese funktioniert wie folgt: Ein Bediener der Werkzeugmaschine 10 kann beispielsweise an einem einen Dreh- und/oder Druckschalter enthaltenden Drehzahlgeber 26 Solldrehzahlwerte 27 einer Solldrehzahl ωsoll vorgeben. Das Regelungsmodul 19 regelt den Antriebsmotor 12 anhand der Solldrehzahlwerte 27 sowie anhand von Istdrehzahlwerten 28, die eine Ist-Drehzahl ωist des Antriebsmotors 12 repräsentieren. beispielsweise erfasst ein Drehzahlsensor 29 die jeweilige Istdrehzahl ωist des Antriebsmotors 12. Der Drehzahlsensor 29 kann einen Bestandteil des Antriebsmotors 12 bilden.
Das Regelungsmodul 19 erzeugt anhand der Drehzahlwerte 27, 28 Soll-Stromwerte 30 für das Bestromungsmodul 22. Das Bestromungsmodul 22 stellt anhand der Soll-Stromwerte 30 einen Motorstrom Imot zur Bestromung des Motors 12 ein.
Der Motorstrom Imot bildet einen ersten Eingangswert für das Begrenzungsmodul 20, das eine Begrenzungseinrichtung 31 zur Begrenzung eines Abgabedrehmoments Mab an dem Antriebsstrang 11 repräsentiert. Als weiteren Eingangswert für das Begrenzungsmodul 20 ist an einem Abschaltmomentgeber 32 ein maxima les Drehmoment, das am Antriebsstrang 11 bereitstehen soll, einstellbar, nämlich ein Drehmoment-Maximalwert Mmax. Der Abschaltmomentgeber 32 ist beispielsweise ein Potentiometer-Schalter, an dem ein Bediener der Werkzeugmaschine 10 ein gewünschtes Abschaltmoment einstellen kann. Es versteht sich, dass auch ein fest eingestelltes Abschalt-Drehmoment bei einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung vorgesehen sein kann, beispielsweise ein absoluter Wert. Bei einem Schrauber, der für vorbestimmte Einsatzfälle vorgerüstet ist, beispielsweise von Schrauben immer desselben Schraubentyps, ist es sogar vorteilhaft, wenn das abtriebsseitig bereitgestellte Abgabedrehmoment Mab fest vorgegeben ist.
Das Bestromungsmodul 22 und/oder ein separater Stromsensor 33 erzeugen Motorstromwerte 34, die den jeweiligen Motorstrom Imot repräsentieren. Der Motorstromwert 34 bildet einen Eingangswert für eine Motormomentfunktion 35, die das innere Motormoment Mi des Antriebsmotors 12 repräsentierende Motormomentwerte 36 erzeugt.
Ein beispielhafter Verlauf der inneren Motormomentwerte 36 ist in 3 dargestellt. Beginnend bei einem Zeitpunkt t1, steigt das innere Motormoment Mi bis zu einer Zeitpunkt t2 korrelierend mit einer Beschleunigung a des Antriebsstrangs 11, die zum Zeitpunkt t1 beginnt, stark an. Wenn nun eine Vergleichsmittel 37 bildende Vergleichsfunktion 38 des Begrenzungsmoduls 20 die Motormomentwerte 36 unmittelbar mit dem am Abschaltmomentgeber 32 eingestellten Drehmoment-Maximalwert Mmax vergleichen würde, würde sie bereits bei einem Zeitpunkt t1' eine Überschreitung des Drehmoment-Maximalwertes Mmax feststellen und einen Abschaltbefehl 39 an das Bestromungsmodul 22 zum Abschalten der Bestromen des Antriebsmotors 12 senden. Die Werkzeugmaschine 10 würde dann den Schraubvorgang zu früh abstellen. Hier setzt die Erfindung ein.
Von den inneren Motormomentwerten 36 werden nämlich Verluste des Antriebsstranges 11, die beschleunigungsabhängig sind, subtrahiert. Die Motormomentfunktion 35 bildet einen Bestandteil von Erzeugungsmitteln 40 mit ferner einer Erzeugungsfunktion 41 zur Erzeugung von Abgabedrehmomentwerten 42 entsprechend der obigen Formel (8). Dazu erhält die Erzeugungsfunktion 41 die inneren Motormomentwerte 36, die die Erzeugungsfunktion 41 um Trägheitsmomentwerte 43 vermindert, die von einer Trägheitsmomentfunktion 44 anhand einer jeweiligen Beschleunigung des Antriebsstranges 11 gemäß den Formeln (3) und (4) anhand der Istdrehzahlwerte 28 erzeugt werden. Die Trägheitsmomentfunktion 44 errechnet ein jeweils beschleunigungsabhängiges Trägheitsmoment des Antriebsstranges 11. Es versteht sich, dass alternativ oder ergänzend zur Berechnung auch entsprechende Trägheitsmomentverläufe in dem Speicher 21 gespeichert sein können.
Die Erzeugungsfunktion 41 reduziert die inneren Motormomentwerte 36 entsprechend der Formel (7) um Reibmomentwerte 45, die von einer Reibmomentfunktion 46 erzeugt werden und ein Reibmoment Mr des Antriebsstranges 11 repräsentieren.
Die Reibmomentfunktion 46 erzeugt die Reibmomentwerte anhand der jeweiligen Istdrehzahlwerte 28 des Antriebsstrangs 11. Zudem berücksichtigt die Reibmomentfunktion 46 ein Übersetzungsverhältnis u des Getriebes 13, das jeweils eingestellt ist. Wenn das Getriebe 13 mit höheren Drehzahlen dreht, wirkt sich dies stärker auf die Reibung des Antriebsstranges 11 aus. Ein am Getriebe 13 angeordneter Übersetzungssensor 47 erfasst eine jeweilige Schaltstellung des Getriebes 13 und sendet dementsprechend das Übersetzungs verhältnis u repräsentierende Übersetzungswerte 48 an die Reibmomentfunktion 46.
Zudem berücksichtigt die Reibmomentfunktion 46 bei der Erzeugung der Reibmomentwerte 45 Temperaturwerte 49, die ein Temperatursensor 50 meldet. Der Temperatursensor 50 ist zweckmäßigerweise in einem Bereich zwischen dem Antriebsmotor 12 und dem Getriebe 13 angeordnet, sodass er die Temperatur beider Komponenten erfassen kann. Vorteilhaft ist der Temperatursensor 50 sogar ein Bestandteil des Antriebsmotors 12, beispielsweise ein Sensor, der in Erregerwicklungen w1, w2, w3 und weiteren Erregerwicklungen ωn des Antriebsmotors 12 angeordnet ist. Somit erfasst der Temperatursensor 50 die Temperatur des Antriebsmotors 12 und zugleich des Getriebes 13, beispielsweise dessen Schmiermittels.
Schließlich subtrahiert die Erzeugungsfunktion 41 von den inneren Motormomentwerten 36 noch Kompensationswerte 51 einer Kompensationsfunktion 52. Die Kompensationsfunktion 52 empfängt als Eingangswerte die Solldrehzahl ωsoll und die Istdrehzahl ωist. Anhand einer Erhöhung der Solldrehzahl ωsoll erkennt die Kompensationsfunktion 52 einen Beschleunigungswunsch. Im ersten Moment nach Erhöhung der Solldrehzahl ωsoll steigt zwar der Motorstrom Imot an, nicht aber die Istdrehzahl ωist. Dies kompensiert die Kompensationsfunktion 52 durch Erzeugung der Kompensationswerte 51, die die Kompensationsfunktion 52 an die Erzeugungsfunktion 41 für die Abgabedrehmomentwerte 42 übermittelt. Diese zieht die Kompensationswerte 51 von den inneren Motormomentwerten 36 ab, sodass insgesamt die Formel (8) realisiert ist.
Ferner berücksichtigt die Erzeugungsfunktion 41 zweckmäßigerweise ein jeweiliges Übersetzungsverhältnis u des Getriebes 13. Durch die Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses u reduziert die Erzeugungsfunktion 41 ein abtriebsseitig am Antriebsmotor 12 bereitstehendes Motor-Abgabemoment Mmab und erzeugt die Abgabedrehmomentwerte 42, die das real vorhandene Abgabedrehmoment Mab nachbilden.
Die Vergleichsfunktion 38 vergleicht nunmehr die Abgabedrehmomentwerte 42 mit dem Drehmoment-Maximalwert Mmax. Während das innere Motormoment Mi bereits zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 das maximale Drehmoment Mmax überschreitet, was zu einer zu frühen Abschaltung des Antriebsstranges 11 führen würde, schaltet die Begrenzungseinrichtung 31 den Antriebsmotor 12 nunmehr erst zu einem Zeitpunkt t4 ab. Somit steht bis zum Zeitpunkt t4 das vollständige, abtriebsseitig gewünschte Abgabedrehmoment Mab zur Verfügung, und die nicht dargestellte Schraube kann mit maximalem Drehmoment und hoher Dynamik geschraubt werden.
Die Steuerungseinrichtung 17 schaltet den Antriebsstrang 11 bei Erreichen des Drehmoment-Maximalwertes Mmax z. B. lediglich ab.
Vorzugsweise schaltet die Steuerungseinrichtung 17 den Antriebsstrang 11 jedoch nicht nur ab, sondern in einen Bremsbetrieb. Eine Umschalteinrichtung 53 schaltet den Antriebsmotor 12 beispielsweise in einen Kurzschluss. Die Umschalteinrichtung 53 hat einen Schalter 55, zum Beispiel ein Relais oder einen elektronischen Schalter, zum Kurzschließen des Antriebsmotors 12. Dies führt zudem zu einem Zurückspeisen von Strom in den elektrischen Energiespeicher 23, sodass die Werkzeugmaschine 10 sparsam arbeitet.
Ein Stator des Antriebsmotors 12 enthält beispielsweise Erregerwicklungen w1, w2, w3–wn, die durch das Bestromungsmodul 22 bestromt werden. Die jeweiligen Erregerwicklungen w1–wn werden von dem Bestromungsmodul 22, das eine Bestromungseinrichtung bildet, mit Erregerströmen bestromt. In 5 ist beispielhaft ein Erregerstrom ID1, der über die Erregerwicklung w1 fließt, dargestellt. Zum Schalten der Erregerströme verfügt das Bestromungsmodul 22 über Schalter S11, S12, S13, S1n einer ersten Schaltergruppe, die eingangsseitig mit einem Versorgungspotenzial Vcc und ausgangsseitig mit den Wicklungen b1–bn verbunden sind, sowie Schalter S21–S2n einer zweiten Schaltergruppe, die eingangsseitig mit den Erregerwicklungen w1–wn und ausgangsseitig mit einem Massepotenzial Mp verbunden sind.
Bei einem Bremsbetrieb werden beispielsweise die Schalter S11–S1n geschlossen, so dass in Maschen K11, K12, K13–Kn über die Erregerwicklungen w1, w2, w3–wn jeweils Kurzschlussströme I11, I12, I13 fließen. Es ist ebenfalls möglich, die Schalter S21–S2n zu schließen, so dass in Maschen K21, K22, K23–K2n Kurzschlussströme I21, I22, I23 fließen können.
Die Begrenzungseinrichtung 31 ist an einem Schalter 54 abschaltbar.
Die Steuerungseinrichtung 17 erhält die Temperaturwerte 49 an einem Eingang 56 und hat ferner einen Eingang 57 für den jeweiligen Übersetzungswert 48.
In 3 ist ein Verlauf eines Gesamtkorrekturwerts Kges eingezeichnet, der mit dem Verlauf der Beschleunigung a des Antriebsstrangs 11 im Wesentlichen korreliert. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t3, zwischen denen das innere Moment Mi im wesentlichen zu Beschleunigung des Antriebsstranges 11 genutzt wird und abtriebsseitig nicht bereit steht, ist eine besonders starke Korrektur bzw. Verminderung des inneren Mo tormomentes Mi erforderlich, um das tatsächlich vorhandene Abgabedrehmoment Mab zu ermitteln.
Es versteht sich, dass beim Erfassen von Sensorwerten und/oder beim Ermitteln des Abgabedrehmoments Mab, das abtriebsseitig am Antriebsstrang 11 zur Verfügung steht, einzelne Mess- oder Rechenfehler auftreten können. Zu deren Kompensation verfügen die Erzeugungsmittel vorteilhaft über Plausibilitätsprüfmittel 58. Die Plausibilitätsprüfmittel 58 enthalten beispielsweise einen Filter 59, der unplausible Werte beispielsweise des Abgabedrehmoments Mab ausfiltert. Ein solcher Wert ist beispielsweise ein Spitzen-Abgabedrehmomentwert 60, der den Drehmoment-Maximalwert Mmax überschreitet. Dies würde an sich zu einer sofortigen Abschaltung des Antriebsmotors 12 führen. Der Filter 59 vergleicht jedoch den momentanen Abgabedrehmomentwert 60 mit vorherigen Abgabedrehmomentwerten 61 und 62 und filtert den ”Ausreißer”-Abgabedrehmomentwert 60 aus, der weit außerhalb eines durch die Abgabedrehmomentwerte 61, 62 bestimmbaren Verlaufes des Abgabedrehmoments Mab liegt.
Über den obengenannten Kurzschluss-Bremsbetrieb des Antriebsmotors hinaus ist die Werkzeugmaschine 10 auch zu einem sozusagen aktiven Bremsen durch drehrichtungsgegensinniges Bestromen des Antriebsmotors 12 ausgestaltet.
Das Bestromungsmodul 22 ist zur Bestromung des Antriebsmotors 12, d. h. der Erregerwicklung w1–wn im Sinne eines Abbremsens ausgestaltet. Das Bestromungsmodul 22 erzeugt beispielsweise ein abbremsendes, zu einer jeweiligen Drehrichtung 63 des Antriebsmotors 12 gegensinniges Drehfeld 64. Dabei fließt beispielsweise über die Erregerwicklung w1 ein Erregerstrom ID2, der entgegengesetzt zu dem vorher beschriebenen Erregerstrom ID1 fließt. Die Erregerströme ID1, ID2 fließen jeweils zu ei nem vergleichbaren Zeitpunkt, sind jedoch zueinander gegensinnigen Drehfeldern zugeordnet.
Die Begrenzungseinrichtung 31 steuert die Bestromungseinrichtung 22 für den Bremsbetrieb, bei der das Drehfeld 64 den Antriebsmotor 12 abbremst, anhand von Steuerbefehlen 65.
Die Begrenzungseinrichtung 31 sendet die Steuerbefehle 65 abhängig von den eingangs erläuterten Bremsbedingungen, insbesondere gemäß mindestens einer der Formeln (a)–(g).
Eine in 4 eingezeichnete Kurve 66 zeigt beispielsweise einen Verlauf des Abgabedrehmoments Mab beim Einschrauben einer verhältnismäßig kleinen Schraube. Das Abgabedrehmoment Mab ist bis zu einem Zeitpunkt t5 verhältnismäßig niedrig. Bis zu diesem Zeitpunkt wird die meiste Energie zur Beschleunigung des Antriebsstranges benötigt. Der Antriebsrotor 12 dreht die Schraube ab dem Zeitpunkt t5 mit verhältnismäßig hoher Drehzahl ω ein, wobei das Drehmoment mit zunehmender Schraubtiefe aufgrund höherer Reibungseffekte zwischen dem Zeitpunkt t5 und einem Zeitpunkt t6 zunimmt.
Zwar ist das Abgabedrehmoment Mab bei der Kurve 66 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 verhältnismäßig gering, die Drehzahl ω jedoch hoch. Daher ist die im Antriebsstrang 11 vorhandene Rotationsenergie Erot verhältnismäßig groß. Bei dieser Ausgangssituation führte ein Weiterdrehen des Antriebsstrangs 11 ab dem Zeitpunkt t6 bei oder unmittelbar vor Erreichen eines Drehmoment-Maximalwerts Mmax1 beispielsweise zur Zerstörung der Schraube, zu einem übermäßig tiefen Einschrauben der Schraube in das Werkstück oder beides. Um dieser Situation abzuhelfen, steuert die Begrenzungseinrichtung 31 die Bestromungseinrichtung bzw. das Bestromungsmodul 22 zu dem obengenannten Bremsbetrieb anhand des gegensinnigen Dreh feldes 64 an. Das Abgabedrehmoment Mab ist nämlich im Verhältnis zu der im Antriebsstrang vorhandenen Rotationsenergie Erot bei einem Betriebsfall gemäß der Kurve 66 klein, so dass die Begrenzungseinrichtung 31 anhand der Bremsbedingung (a) die Notwendigkeit des aktiven Bremsbetriebs ermittelt.
Anders ist die Situation bei beispielsweise einer großen Schraube. In 4 ist exemplarisch dafür ein Verlauf 67 des Abgabedrehmoments Mab eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t5 steigt das Abgabedrehmoment Mab verhältnismäßig stark an. Zum Zeitpunkt t6, bei Erreichen eines Drehmoment-Maximalwerts Mmax2 sendet die Begrenzungseinrichtung 31 lediglich den Abschaltbefehl 39 an die Bestromungseinrichtung 22, so dass der Antriebsmotor 12 abgeschaltet wird. Ein Abbremsen des Antriebsmotors 12 mittels eines gegensinnigen Drehfeldes 64 ist bei diesem Betriebsfall nicht nötig und würde lediglich den Energieverbrauch erhöhen und damit die Nutzungsdauer des Energiespeichers 23 verkürzen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Begrenzungseinrichtung 31 die Bestromungseinrichtung 22 bzw. das Bestromungsmodul zu dem Bremsbetrieb mittels des Brems-Drehfelds 64 ansteuert, wenn das Abgabedrehmoment Mab besonders stark ansteigt. Wenn beispielsweise ein Schraubkopf einer kleinen Schraube auf das Werkstück auftrifft, sozusagen ein harter Schraubfall eintritt, kann sich beispielsweise ein Verlauf 68 des Abgabedrehmoments Mab einstellen. Gerade dann ist es vorteilhaft, wenn die Begrenzungseinrichtung 31 das Bestromungsmodul 22 zur Erzeugung des abbremsenden Drehfeldes 64 ansteuert.
Weiterhin ist es zweckmäßig, dass die Begrenzungseinrichtung 31 die Steuerbefehle 65 in Abhängigkeit von einem Bremsverlauf des Antriebsstrangs 11 ausgibt. So steuert die Begrenzungseinrichtung 31 beispielsweise zum Zeitpunkt t6 die Be stromungseinrichtung 22 derart an, dass sie den Antriebsmotor 12 maximal abbremst. Das Abgabedrehmoment Mab nimmt daher ab dem Zeitpunkt t6 sehr stark ab bzw. nicht mehr zu, was in einem Bremsverlauf 69 in 4 verdeutlicht ist. Ab dem Zeitpunkt t7 steuert die Begrenzungseinrichtung 31 das Bestromungsmodul 22 zu einem reduzierten Bremsbetrieb an, so dass das Abgabedrehmoment Mab ab dem Zeitpunkt t7 zunimmt, bis es zum Zeitpunkt t8 den Drehmoment-Maximalwert Mmax1 erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102008024286 [0002]

Claims

Steuerungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung eines elektrischen Antriebsmotors (12) eines Antriebsstrangs (11) einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Schraub-Werkzeugmaschine (10), mit einer Begrenzungseinrichtung (31) zur Begrenzung eines an dem Antriebsstrang (11) abtriebsseitig bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab) auf einen Drehmoment-Maximalwert (Mmax, Mmax1, Mmax2), dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) zum Senden von Steuerbefehlen (65) zum Ansteuern einer den Antriebsmotor (12) bestromenden Bestromungseinrichtung (22) in einen Bremsbetrieb ausgestaltet ist, in dem die Bestromungseinrichtung (22) ein den Antriebsmotor (12) abbremsendes, zu einer jeweiligen Drehrichtung (63) des Antriebsmotors (12) gegensinniges Drehfeld (64) erzeugt, und dass die Begrenzungseinrichtung (31) zur Begrenzung des abtriebsseitig bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab) auf einen Drehmoment-Maximalwert (Mmax, Mmax1, Mmax2) die Bestromungseinrichtung (22) zu dem Bremsbetrieb unter mindestens einer Bremsbedingung ansteuert, wobei die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass ein Quotient des Abgabedrehmoments (Mab) und einer in dem Antriebsstrang (11) vorhandenen Rotationsenergie (Erot) kleiner oder gleich einer Maximal-Verhältniszahl (Xmax) ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass das Abgabedrehmoment (Mab) im Verhältnis zu einer Dreh zahl (ω) des Antriebsstrangs (11), insbesondere der ersten Potenz der Drehzahl (ω) des Antriebsstrangs (11), unterhalb oder gleich einer vorbestimmten oder einstellbaren Verhältniszahl (Ymax; Zmax) ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass das Abgabedrehmoment (Mab) eine vorbestimmte Anstiegsgeschwindigkeit (H) erreicht oder überschreitet.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass das Abgabedrehmoment (Mab) die vorbestimmte Anstiegsgeschwindigkeit (H) in Abhängigkeit von einer Mindest-Drehzahl (ωmin) des Antriebsmotors (12) erreicht oder überschreitet.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass ein vorgebbarer oder vorgegebener Soll-Maximalwert (SMmax) und/oder das Abgabedrehmoment (Mab) repräsentierende Abgabedrehmomentwerte (42) vor dem Umschalten gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Schwell-Drehmomentwert (Ms) sind.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bremsbedingung umfasst, dass der Drehmoment-Maximalwert (Mmax, Mmax1, Mmax2) unterhalb eines Schwell-Drehmomentwerts ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) zur Ausgabe der Steuerbefehle (65) in Abhängigkeit von einem Bremsverlauf (69) des Antriebsstrangs (11) während des Bremsbetriebs ausgestaltet ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung zur Regelung des Bremsverlaufs (69) ausgestaltet ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung den Bremsverlauf (69) so regelt, dass das Abgabedrehmoment (Mab) den Drehmoment-Maximalwert (Mmax, Mmax1, Mmax2) erreicht.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung bei Beginn des Bremsbetriebs die Bestromungseinrichtung (22) zu einer stärkeren Bremsung ansteuert und die Bremsung anschließend abhängig von dem Bremsverlauf (69) verringert oder regelt.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) Vergleichsmittel (37) zum Vergleich des Drehmoment-Maximalwerts (Mmax, Mmax1, Mmax2) mit von dem Motorstrom (Imot) abhängigen inneren Motormomentwerten (36) aufweist, wobei bei dem Vergleich zur Nachbildung des real bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab) der jeweilige innere Motormomentwert (36) um einen von einer Beschleunigung (a) des Antriebsstrangs (11) abhängigen Trägheitsmomentwert (43) durch die Begrenzungseinrichtung (31) vermindert oder der Drehmoment-Maximalwert (Mmax, Mmax1, Mmax2) um den von der Beschleunigung (a) des Antriebsstrangs (11) abhängigen Trägheitsmomentwert (43) vergrößert ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) Erzeugungsmittel (40) zum Erzeugen von das real bereitgestellte Abgabedrehmoment (Mab) repräsentierenden Abgabedrehmomentwerten (42) durch Vermindern der von dem Motorstrom (Imot) abhängigen inneren Motormomentwerte (36) des Antriebsmotors (12) um die von der Beschleunigung (a) des Antriebsstrangs (11) abhängigen Trägheitsmomentwerte (43) des Antriebsstrangs (11) aufweist, und dass die Vergleichsmittel (37) zum Vergleich der Abgabedrehmomentwerte (42) mit dem Drehmoment-Maximalwert (Mmax, Mmax1, Mmax2)) ausgestaltet sind.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) zur Nachbildung des real bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab) zum Vermindern des jeweiligen inneren Motormomentwerts (36) um mindestens einen Reibmomentwert (45) des Antriebsstrangs (11) oder zum Vergrößern des Drehmoment-Maximalwerts (Mmax, Mmax1, Mmax2) um den mindestens einen Reibmomentwert (45) ausgestaltet ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Eingang (56) für mindestens einen Temperaturwert (49) des Antriebsstrangs (11) aufweist, und dass die Begrenzungseinrichtung (31) zum Ermitteln des mindestens einen Reibmomentwerts (45) des Antriebsstrangs (11) in Abhängigkeit von dem mindestens einen Temperaturwert (49) ausgestaltet ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) zum Ermitteln des mindestens einen Reibmomentwerts (45) des Antriebsstrangs (11) in Abhängigkeit von mindestens einem Drehzahlwert (28) des Antriebsstrangs (11) ausgestaltet ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (11) ein dem Antriebsmotor (12) nachgeschaltetes Getriebe (13) aufweist, und dass die Steuerungseinrichtung einen Eingang (57) für einen Übersetzungswert (48) oder einen Sensor zum Ermitteln des Übersetzungswerts (48) aufweist, wobei der Übersetzungswert (48) ein an dem Getriebe (13) eingestelltes Übersetzungsverhältnis (u) repräsentiert.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) zur Nachbildung des real bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab), insbesondere zum Erzeugen der Abgabedrehmomentwerte (42), in Abhängigkeit von mindestens einem Übersetzungsverhältnis (u) des Getriebes (13) ausgestaltet ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) zur Nachbildung des real bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab) in Abhängigkeit von einer Veränderung eines Solldrehzahlwerts (27) ausgestaltet ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) zur Nachbildung des real bereitgestellten Abgabedrehmoments (Mab) durch Vermindern der inneren Motormomentwerte (36) um Kompensationswerte (51) oder Erhöhen des Drehmoment-Maximalwerts (Mmax, Mmax1, Mmax2) um Kompensationswerte (51) ausgestaltet sind, wobei die Kompensationswerte (51) einen Anstieg des Motorstroms (Imot) nach einer Erhöhung eines Solldrehzahlwertes (27) für einen vorbestimmten Zeitabschnitt repräsentieren, in dem die Erhöhung des Motorstroms (Imot) im Wesentlichen keine Änderung der abtriebsseitigen Drehzahl des Antriebsstrangs (11) bewirkt.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Plausibilitätsprüfmittel (58), insbesondere Filtermittel (59), zum Prüfen einer Plausibilität der Abgabedrehmomentwerte (42) und/oder von zur Ermittlung der Abgabedrehmomentwerte (42) auszuwertender Sensorwerte aufweist.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsmittel (37) zum Durchführen einer Plausibilitätsprüfung bei einem Erreichen und/oder Überschreiten des Drehmoment-Maximalwerts (Mmax, Mmax1, Mmax2) durch die Abgabedrehmomentwerte (42) ausgestaltet sind.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Umschalteinrichtung (53) zum Umschalten des Antriebsmotors (12) in einen Bremsbetrieb aufweist, wenn die Abgabedrehmomentwerte (42) den Drehmoment-Maximalwert (Mmax, Mmax1, Mmax2) erreichen oder überschreiten, und dass die Umschalteinrichtung (53) mindestens einen Schalter (55) zum Kurzschließen des Antriebsmotors (12) aufweist.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (31) abschaltbar ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungseinrichtung (22) einen Bestandteil der Steuerungseinrichtung bildet.
Werkzeugmaschine (10), insbesondere Hand-Werkzeugmaschine, mit einem einen elektrischen Antriebsmotor (12) aufweisenden Antriebsstrang (11), dadurch gekennzeich net, dass sie eine Steuerungseinrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors (12) aufweist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (11) ein dem Antriebsmotor (12) nachgeschaltetes Getriebe (13) aufweist, und dass der Antriebsmotor (12) mindestens einen an einer dem Getriebe (13) zugewandten Seite des Antriebsmotors (12) angeordneten Temperatursensor (50) aufweist, wobei der mindestens eine Temperatursensor (50) zur Übermittlung von Temperaturwerten (49) mit der Steuerungseinrichtung (17) verbunden ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Hand-Werkzeugmaschine (10) zum Bohren und/oder Schrauben ist.