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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Setzgerät zum Setzen von Befestigungsmitteln, wie Nägeln, Nieten, Stiften, Ankern, Klammern oder anderen, vorzugsweise stiftförmigen, Befestigungselementen. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuerungsverfahren für ein Setzgerät.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Das erfindungsgemäße Setzgerät hat einen Stößel, der angetrieben durch Druckluft das Befestigungselement eintreibt. Eine Pumpeinrichtung erzeugt die Druckluft. Die Pumpeinrichtung hat einen Pumpzylinder, eine Pumpkolben und eine ringförmige Magnetanordnung um den Pumpzylinder. Der Pumpkolben ist in dem Pumpzylinder längs einer Achse beweglich. Ein axialer Verschluss des Pumpzylinders schließt mit dem Pumpkolben ein Pumpvolumen innerhalb des Pumpzylinders ab. Die ringförmige Magnetanordnung hat eine Magnetspule, die den Pumpzylinder umschließt und die längs der Achse wenigstens teilweise mit dem magnetisierbaren Verschluss und teilweise mit dem magnetisierbaren Pumpkolben überlappt.
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Der durch den Verschluss halbseitige geschlossene Pumpzylinder bildet zusammen mit dem Pumpkolben eine linear Kolbenhubpumpe. Der Antrieb der Kolbenhubpumpe erfolgt durch die Magnetspule, welche den magnetisierbaren Pumpkolben in die Mitte der Magnetspule ziehen und dabei die Luft in dem Pumpvolumen komprimieren kann.
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Die Anordnung des Verschlusses innerhalb der Magnetanordnung, vorzugsweise innerhalb der Magnetspule, erweist sich als effizient für das Komprimieren der Luft. Die notwendige Kraft zum Komprimieren der Luft steigt etwa invers zu dem sich verringernden Abstand des Pumpkolbens zu dem Verschluss. Aufgrund der Anordnung des magnetisierbaren Verschlusses innerhalb der Magnetanordnung erhöht sich die von der Magnetspule auf den Pumpkolben ausgeübte Kraft ebenfalls etwa invers zu dem Abstand zwischen Verschluss und Pumpkolben. Die Energie kann von der Magnetspule auf die Volumenarbeit des Pumpvolumens über die gesamte Bewegung des Pumpkolbens optimal übertragen werden.
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Der Verschluss und der Pumpkolben sind vorzugsweise aus einem weich magnetischen Material gebildet. Sobald die Magnetspule nicht bestromt ist, sind Verschluss und Pumpkolben weitgehend unpolarisiert und werden durch umgebende Streufelder depolarisiert. Ohne die Magnetspule ziehen sich der Verschluss und der Pumpkolben nicht an.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Verschluss mit wenigstens 10 % der Magnetanordnung, vorzugsweise der Magnetspule, längs der Achse überlappt. Der Pumpkolben überlappt vorzugsweise in jeder Stellung für wenigstens 10 % mit der Magnetanordnung, vorzugsweise der Magnetspule, längs der Achse.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Druckkammer, die die von der Pumpeinrichtung erzeugte Druckluft zwischenspeichert. Die Pumpeinrichtung treibt nicht unmittelbar den Stößel an. Ein Volumen der Druckkammer ist zur Aufnahme einer Luftmenge für einen Setzvorgang oder für weniger als fünf Setzvorgänge dimensioniert. Eine von dem Pumpvolumen aufgenommene Luftmenge ist vorteilhafterweise geringer als eine für den Setzvorgang vorgesehene Luftmenge. Der Pumpkolben benötigt mehrere Hübe, bis eine für den Setzvorgang benötigte Luftmenge bereitgestellt ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Stößel starr mit einem Treibkolben verbunden ist, der Treibkolben innerhalb eines hohlen Führungszylinders ein Arbeitsvolumen abschließt und die Druckluft in das Arbeitsvolumen einspeisbar ist. Die von der Pumpeinrichtung erzeugte und in der Druckkammer zwischengehaltene Druckluft beschleunigt den Treibkolben in dem Führungszylinder. Der Stößel wird von dem Treibkolben mitgenommen und treibt den Nagel oder ein anderes Befestigungsmittel ein.
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Ein Steuerungsverfahren für das Setzgerät hat die Schritte: Erzeugen von Druckluft, indem ein Strompuls in eine Magnetspule eingespeist wird und das erzeugte Magnetfeld einen magnetisierbaren Pumpkolben innerhalb der Magnetspule in einem Pumpzylinder bewegt, und Beschleunigen eines Stößels mit der Druckluft auf ein in Setzrichtung angeordnetes Befestigungselement. Das Setzgerät konvertiert elektrische Energie, in ein Magnetfeld, in eine Kompression von Luft und anschließend in kinetische Energie des Stößels. Die Konversion der Energie aus dem Magnetfeld in die Kompression ist durch den innerhalb der Magnetspule geführten Pumpkolben besonders effizient.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass dass eine Druckkammer mit der Druckluft geladen wird und ansprechend auf ein Betätigen eines Bedienelements durch den Anwender der Stößel mit der Druckluft aus der Druckkammer beschleunigt wird. Das Laden der Druckkammer erfolgt, indem die Magnetspule mit einer Sequenz aus Strompulsen zum mehrfachen Hin- und Herbewegen des Pumpkolbens bestromt wird. Ein einziger Hub zum Bereitstellen der Luftmenge für den Setzvorgang hat den offensichtlichen Vorteil, dass die zusätzliche Druckkammer und ein Zwischenspeichern der Druckluft entfällt. Das Setzgerät wird leichter und hat weniger Verlustkanäle. Der mehrfache Hub erweist sich dennoch als effizienter, da die Pumpeinrichtung insbesondere bei einem kurzen Hub besonders effizient arbeitet und damit die Nachteile der zusätzlichen Druckkammer überkompensiert.
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Eine Amplitude und/oder eine Dauer der Strompulse kann innerhalb einer Sequenz zunehmen. Die Pumpeinrichtung verrichtet mit zunehmender Luftmenge in der Druckkammer pro Hub mehr Volumenarbeit, insbesondere durch Erreichen eines höheren Drucks, um die Druckkammer weiter aufzuladen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:
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1 ein Setzgerät
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2 eine Pumpeinrichtung des Setzgeräts
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3 eine Abfolge von Schaltsequenzen
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4 einen Ausschnitt des Setzgeräts
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Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt ein beispielhaftes Setzgerät 1 für Nägel 2 oder ähnliche stiftförmige Befestigungselemente. Das Setzgerät 1 hat einen druckluft-getriebenen Stößel 3, der den Nagel 2 in ein Werkstück treibt. Die Druckluft für einen Setzvorgang wird in einer Druckkammer 4 vorgehalten. Eine Pumpeinrichtung 5 in dem Setzgerät 1 lädt die Druckkammer 4 mit einer für den Setzvorgang ausreichenden Luftmenge und auf das notwendige Druckniveau.
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Die für die Funktionalität wesentlichen Komponenten des Setzgeräts 1 sind innerhalb eines Gehäuses 6 angeordnet, insbesondere der Stößel 3, die Druckkammer 4 und die Pumpeinrichtung 5. Der Anwender kann das Setzgerät 1 mit einem Handgriff 7 führen und beim Setzen der Nägel 2 halten kann. Der Handgriff 7 ist unlösbar, starr oder mittels Dämpfungselementen, mit einem Gehäuse 6 des Setzgeräts 1 verbunden. Das Setzgerät 1 wird primär mit elektrischer Energie versorgt, beispielsweise durch ein Batteriepaket 8, welches unlösbar vorzugsweise lösbar an dem Handgriff 7 oder dem Gehäuse 6 vom Anwender befestigbar ist. Am oder nahe des Handgriffs 7 ist ein Triggerschalter 9, welcher bei Betätigung durch den Anwender einen Setzvorgang auslöst. Vorzugsweise ist neben dem Betätigen des Triggerschalters 9 noch ein Sicherheitsmechanismus, z.B. durch Anpressen des Setzgeräts an eine Wand, freizuschalten.
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Der Stößel 3 hat einen Schlagkopf 10, der in seiner Form den verwendeten Nägeln 2 angepasst ist. Der Schlagkopf 10 hat typischerweise etwa den gleichen Durchmesser wie ein Kopf der Nägel 2. Der Schlagkopf 10 ist längs einer Arbeitsachse 11 innerhalb einer Nagelführung 12 geführt. Der Nagel 2 wird für den Setzvorgang in die im wesentlichen rohrförmige Nagelaufnahme 12 eingelegt. Das Einlegen kann manuell durch den Anwender, semiautomatisch oder automatisch durch eine Zuführung erfolgen. Der Schlagkopf 10 schlägt innerhalb der Nagelführung 12 auf den Nagel 2 und treibt den Nagel 2 in Setzrichtung 13, längs der Arbeitsachse 11 aus der Nagelführung 12 heraus, ggf. in ein Werkstück.
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Der Stößel 3 ist an seinem rückseitigen, dem Nagel-abgewandten Ende mit einem Treibkolben 14 versehen. Der Treibkolben 14 hat vorzugsweise einen wesentlich größeren Durchmesser als der Schlagkopf 10, um den Stößel 3 effizient mit der Druckluft anzutreiben.
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Der Treibkolben 14 ist in einen halbseitig geschlossenen Führungszylinder 15 eingesetzt. Der Treibkolben 14 liegt umfänglich an der inneren Mantelfläche 16 des Führungszylinders 15 druckdicht an und wird von der Mantelfläche längs der Arbeitsachse 11 geführt. Ein dem Nagel 2 abgewandtes Ende des Führungszylinders 15 ist durch einen Boden 17 geschlossen. Der Treibkolben 14 schließt somit in Setzrichtung 13 innerhalb des Führungszylinders 15 ein pneumatisches Arbeitsvolumen 18 ab.
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Die Druckkammer 4 ist über eine steuerbare Zuleitung 19 mit dem Arbeitsvolumen 18 verbunden. Die Zuleitung 19 erfolgt vorzugsweise über eine Öffnung in dem Boden 17. Die Zuleitung 19 beinhaltet ein schaltbares Ventil 20, welches ansprechend auf ein Betätigen des Triggerschalters 9 geöffnet wird.
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Die Druckkammer 4 hat ein ausreichendes Volumen um eine Luftmenge für vorzugsweise genau einen Setzvorgang zu speichern. Das Volumen liegt beispielsweise im Bereich von 100 cm3 bis 300 cm3. Bei einer vollbeladenen Druckkammer 4 für einen Setzvorgang liegt der Druck zwischen 7 bar und 10 bar. Die Druckkammer 4 ist mit einem thermisch isolierenden Mantel 21 umgeben, der beispielsweise eine Wandung der Druckkammer 4 innen auskleidet oder auf die Außenfläche aufgebracht ist. Der Mantel 21 ist beispielsweise aus einem Kunststoff vorzugsweise aus einem geschäumten Kunststoff.
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Die Pumpeinrichtung 5 (2) füllt die Druckkammer 4 mit Luft, bis die für den Setzvorgang notwendige Luftmenge und/oder der für den Setzvorgang notwendig Druck erreicht ist. Die Pumpeinrichtung 5 hat einen linear bewegten Pumpkolben 22. In der dargestellten Ausführungsform ist der Pumpkolben 22 längs der Arbeitsachse 11 geführt, der Pumpkolben 22 kann jedoch auch längs einer anderen Achse 11 geführt sein. Der Pumpkolben 22 läuft innerhalb eines hohlen Pumpzylinders 23. Der Querschnitt des Pumpkolbens 22 und der Innenquerschnitt des Pumpzylinders 23 sind passgenau, um einen druckdichten Verschluss zu gewährleisten. Dichtungsringe auf dem Pumpkolben 22 können Toleranzen in der Herstellung ausgleichen. Einer Stirnfläche 24 des Pumpkolbens 22 gegenüberliegend ist der Pumpzylinder 23 durch einen stationären Verschluss 25 verschlossen. Die Stirnfläche 24 des Pumpkolbens 22 und die ihr zugewandte Stirnfläche 26 des Verschlusses 25 schließen Luft in einem Pumpvolumen 27 ein.
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Der Pumpkolben 22 wird durch eine Magnetspule 28 längs der Achse 11 bewegt. Die Magnetspule 28 ist um den Pumpzylinder 23 angeordnet, vorzugsweise ist die Magnetspule 28 koaxial zu der Achse 11 des Pumpzylinders 23. Der Antrieb basiert auf Reluktanzkräften, welche auf den Pumpkolben 22 wirken. Der Pumpkolben 22 ist aus einem magnetischen, vorzugsweise ferromagnetischen Material. Das von der Magnetspule 28 in dem Pumpzylinder 23 erzeugte Magnetfeld zieht den Pumpkolben 22 in den Pumpzylinder 23 hinein.
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Der Pumpkolben 22 ist aus einem weichmagnetischen Material, dessen Koerzitivfeldstärke geringer als 1000 A/m ist. Ein schwaches externes Magnetfeld kann eine bestehende Polarisation in dem Pumpkolben 22 bereits ändern oder auflösen. Die von der Magnetspule 28 eingeprägte magnetische Polarisation bleibt daher im wesentlichen in dem Pumpkolben 22 nur für die Dauer des von der Magnetspule 28 angelegten Feldes erhalten. Der Pumpkolben 22 ist beispielsweise aus ferromagnetischem Stahl, vorzugsweise aus einem weichgeglühten Stahl.
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Der Verschluss 25 ist aus einem weichmagnetischen Material, beispielsweise dem gleichen Material wie der Pumpkolben 22. Das von der Magnetspule 28 erzeugte Magnetfeld wird von dem Verschluss 25 in den Pumpzylinder 23 eingeleitet. Das Magnetfeld verläuft zwischen der Stirnfläche 24 des Pumpkolbens 22 und der Stirnfläche 26 des Verschlusses 25 parallel zu der Achse 11. Der Verschluss 25 ragt längs der Achse 11 in die Magnetspule 28 hinein. Ein vorderer Endabschnitt 29 der Magnetspule 28 überlappt somit mit dem Verschluss 25. Der vordere Endabschnitt 29 nimmt wenigstens 10 % der Magnetspule 28 ein. Eine Länge 30 des vorderen Endabschnitts 29 liegt vorzugsweise zwischen 10 % und 30 % der Länge 31 des Magnetspule 28. Der Pumpkolben 22 tritt nie vollständig aus der Magnetspule 28 heraus. Bei der Grundstellung des Pumpkolbens 22, d. h. in seiner aus dem Pumpzylinder 23 am weitesten ausgerückten Stellung, überlappt der Pumpkolben 22 mit einem hinteren Endabschnitt 32 der Magnetspule 28. Der hintere Endabschnitt 32 hat eine Länge 33 von wenigstens 10 % der Länge 31 der Magnetspule 28, vorzugsweise bis zu 20 % der Länge 31 der Magnetspule 28. Das Pumpvolumen 27 liegt vollständig innerhalb der Magnetspule 28 mit einer Länge 34 von höchstens 80 % der Magnetspule 28.
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Das Pumpvolumen 27 ist deutlich geringer als das Volumen der Druckkammer 4. Beispielsweise beinhaltet das Pumpvolumen 27 weniger als 20 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 10 %. der notwendigen Luftmenge für einen Setzvorgang. Die Effizienz der Pumpeinrichtung 5 steigt stark nicht-linear mit zunehmender Annäherung des Pumpkolbens 22 an den Verschluss 25. Die Effizienz des Gesamtsystems des Setzgeräts 1 wird durch das kleine Pumpvolumen 27 anstelle eines Pumpvolumens in der Größenordnung der Druckkammer 4 gesteigert, trotz des zusätzlichen Aufwands die Druckkammer 4 bereitzustellen und die durch die Druckkammer 4 einhergehenden Verluste.
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Die Pumpeinrichtung 5 wird von einer Steuerungseinrichtung 35 angesteuert. Die Steuerungseinrichtung 35 lädt bei Betriebsstart oder nach einem Setzvorgang die Druckkammer 4. Das Laden erfolgt durch eine Sequenz 36 von Strompulsen 37, welche in die Magnetspule 28 eingespeist werden (3). Mit jedem der Strompulse 37 wird der Pumpkolben 22 aus seiner Grundstellung in die Magnetspule 28 gezogen und komprimiert die Luft in dem Pumpvolumen 27. Ein Großteil der komprimierten Luft fließt in die Druckkammer 4 ab. Eine Feder 39 und/oder eine zusätzliche Magnetspule 40 können den Pumpkolben 22 aus dem Pumpzylinder 23 bis in die Grundstellung herausziehen. Das Pumpvolumen 27 wird vor dem nächsten Strompuls 37 belüftet. Beispielsweise gibt der Pumpkolben 22 einen Belüftungskanal 41 frei, sobald der Pumpkolben 22 sich in die Grundstellung zurückbewegt. Vorzugsweise wird der Belüftungskanal 41 geöffnet, sobald der Pumpkolben 22 seine Rückwärtsbewegung beginnt. Ein Positionssensor kann ermitteln, ob der Pumpkolben 22 die Grundstellung erreicht hat.
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Die Sequenz 36 beinhaltet vorzugsweise wenigstens 5 Strompulse 37, vorzugsweise höchstens 30 Strompulse 37. Die Druckkammer 4 wird von der Pumpeinrichtung 5 entsprechend mit 5 bis 30 Hüben vollgepumpt. Der Energieeintrag der Strompulse 37 nimmt während der Sequenz 36 zu; vorzugsweise wird die Dauer 42 der Strompulse 37 erhöht alternativ oder zusätzlich kann die Amplitude 43 der Strompulse 37 erhöht werden. Die Dauer 42 und die Stromstärke/Amplitude 43 können fest vorgegeben sein. Die Strompulse 37 sind derart abgestimmt, dass der Pumpkolben 22 aus seiner Grundstellung bis zu dem Verschluss 25 gezogen wird, vorzugsweise ohne den Verschluss 25 am Ende zu berühren. Die von der Magnetspule 40 auf den Pumpkolben 22 ausgeübte Kraft steigt bei dem gewählten Aufbau während seiner Bewegung zu dem Verschluss 25 permanent an. Die Charakteristik dieses Anstiegs ist ähnlich zu der Charakteristik des Anstiegs der sich durch die komprimierte Luft aufbauenden Gegenkraft. Die Stromstärke 43 kann während eines Strompulses 37 konstant gehalten sein.
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Der Verschluss 25 ist mit einem Auslassventil 44, z.B. einem Rückschlagventil, versehen. Das Auslassventil 44 öffnet vorzugsweise sobald der Druck in dem Pumpvolumen 27 den Druck in der Druckkammer 4 übersteigt. Die Pumpeinrichtung 5 erhöht den Druck innerhalb des Pumpvolumens nur geringfügig über den Druck in der Druckkammer 4, um die Luftmenge aus des Pumpvolumen 27 in die Druckkammer 4 zu schieben. Die bei der Kompression auftretenden thermischen Verluste können hierdurch gering gehalten werden. Das Auslassventil 44 schließt sobald sich der Pumpkolben 22 in die Grundstellung zurückbewegt.
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Der Anwender kann den Triggerschalter 9 betätigen, um einen Setzvorgang auszulösen. Die Steuerungseinrichtung 35 prüft vorzugsweise zuerst, ob die Druckkammer 4 geladen ist. Falls die Druckkammer 4 ungeladen ist, z.B. nach einer längeren Inaktivität des Setzgeräts 1, lädt die Steuerungseinrichtung 35 die Druckkammer 4. Die Druckkammer 4 wird mit der vollständigen Sequenz 36 der Strompulse 37 geladen. Die Steuerungseinrichtung 35 kürzt die Sequenz 36, falls die Druckkammer 4 teilweise geladen ist. Beispielsweise bestimmt die Steuerungseinrichtung 35 mittels eines Drucksensors den Druck in der Druckkammer 4. In einer Steuertabelle ist zu jedem Druck hinterlegt, wieviele der ersten Strompulse 37 der Sequenz 36 zu überspringen sind, d. h. mit welchem der Strompulse 37 der Sequenz 36 zu beginnen ist. Wenn die Druckkammer 4 geladen ist, öffnet die Steuerungseinrichtung 35 das steuerbare Ventil 20. Die unter Druck in der Druckkammer 4 stehende Luftmenge beschleunigt mittels des Treibkolbens 14 den Stößel 3. Nach dem Setzvorgang wird der Treibkolben 14 zurückgeholt, z.B. mittels einer Pumpe, einer Feder, einem Motor, dem Anwender, und das schaltbare Ventil 20 geschlossen. Das Arbeitsvolumen 18 wird für das Rückholen des Treibkolben 14 vorzugsweise belüftet. Die Steuerungseinrichtung 35 lädt die Druckkammer 4 mittels der Sequenz 36 von Strompulsen 37.
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Die Magnetspule 28 ist vorzugsweise von einem Magnetjoch 46 umgeben. Das Magnetjoch 46 deckt mit jeweils einem Ring 47 die beiden Stirnseiten 48 der Magnetspule 28 ab. Das Magnetjoch 46 reicht in radialer Richtung bis an den Pumpkolben 22 bzw. den Verschluss 25 heran. Parallel zu der Achse 11 verlaufende Rippen 49 des Magnetjochs 46 verbinden die beiden Ringe 47. Das Magnetjoch 46 ist beispielsweise aus einzelnen Blechen eines ferromagnetischen Stahls gebildet.
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Der Pumpkolben 22 hat einen schalenfömigen Aufbau aus einer äußeren Schale 50 und einem Kern 51. Die radial äußerste Schale 50 ist aus einem ferromagnetischen Material. Das Magnetfeld wird innerhalb der äußeren Schale 50 geleitet. Eine Wandstärke der äußeren Schale 50 liegt im Bereich zwischen 5 % und 25 % des Durchmessers des Pumpkolbens 22. Ein Kern 51 des Pumpkolben 22 kann hohl sein oder mit einem nicht-metallischen Material, z.B. Kunststoff gefüllt sein. Die Stirnfläche 26 ist vorzugsweise eine Platte aus Stahl, um sich während der Kompression nicht zu verformen. Alternativ kann der Pumpkolben 22 ein massiver Zylinder aus einem ferromagnetischen Material, z.B. Stahl sein.
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4 zeigt eine Ausgestaltung des Führungszylinders 15 für den Treibkolben 14 und der Druckkammer 4. Die Druckkammer 4 ist permanent zu dem Arbeitsvolumen 18 in dem Führungszylinders 15 offen. Der Treibkolben 14 bildet das schaltbare Ventil 20 und hindert die Luft in der Druckkammer 4 am Ausströmen, bis ein Setzvorgang ausgelöst wird. Ein Sperrmechanismus 52, z.B. eine Klinke, hält den Treibkolben 14 in seiner Grundstellung. Der Sperrmechanismus 52 kann durch die Steuerungseinrichtung 35 gelöst werden, worauf der Treibkolben 14 druckbeaufschlagt in Setzrichtung 13 beschleunigt wird.
