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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines in einer Werkzeugmaschine zum Antrieb verwendeten Elektromotors, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung und eine Werkzeugmaschine.
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Stand der Technik
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Für Montagearbeiten, insbesondere im industriellen Umfeld, können Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen, bei denen ein Elektromotor zum Antrieb verwendet wird. Beispielsweise kann es sich bei solchen Werkzeugmaschinen um Schraubgeräte handeln. Hier kommen sowohl mobile bzw. handgehaltene Schraubgeräte wie Winkelschrauber oder auch stationäre Schraubgeräte wie Schraubspindeln in Betracht.
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Bei solchen Werkzeugmaschinen ist es in aller Regel wichtig, eine Temperatur des Elektromotors zu überwachen, um eine Überhitzung und damit Schaden an der Werkzeugmaschine zu verhindern. Dies trifft insbesondere im industriellen Bereich zu, in dem solche Werkzeugmaschinen sehr häufig und regelmäßig verwendet werden.
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Allgemein ist es möglich, zum Ermitteln und damit Überwachen der Temperatur des Elektromotors einen Temperatursensor zu verwenden. Dies führt jedoch zu erhöhten Kosten und erhöhtem Herstellungsaufwand. Ebenso kann eine Fehleranfälligkeit erhöht sein.
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Aus der
DE 10 2015 107 501 A1 ist beispielsweise eine Möglichkeit bekannt, die Temperatur eines Elektromotors in einem elektrischen Lenksystem zu ermitteln, indem ein elektrischer Widerstand einer Statorspule des Elektromotors ermittelt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur, eine Recheneinheit und eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln - und insbesondere auch zum Überwachen - einer Temperatur eines in einer Werkzeugmaschine zum (oder als) Antrieb verwendeten Elektromotors. Dabei wird ein- oder mehrmals ein elektrischer, d.h. insbesondere ein ohmscher, Widerstand einer Spule des Elektromotors ermittelt. Hierzu kann eine Strom- und Spannungsmessung durchgeführt werden, womit dann der Widerstand berechnet werden kann. Als Spule kommt dabei insbesondere eine Statorspule in Betracht.
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Basierend auf dem jeweils ermittelten elektrischen Widerstand der Spule wird dann unter Verwendung eines Motortemperaturmodells die Temperatur des Elektromotors ermittelt. Es handelt sich somit um eine sensorlose Ermittlung der Temperatur des Elektromotors.
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Ein grundlegender Zusammenhang zwischen dem Widerstand und der Temperatur der Spule ist durch
gegeben. Dabei gibt R(T) den aktuellen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur T an, R
0 den Widerstand zu einer bekannten Temperatur T
0, beispielsweise einer Raumtemperatur wie 20°C oder 25°C, und α einen Temperaturkoeffizienten des Materials der Spule. In erster Näherung kann die auf diese Weise ermittelte Temperatur der Spule dann auch als die Temperatur des Elektromotors angesehen bzw. verwendet werden. Es können jedoch auch weitere Randbedingungen wie beispielsweise eine Anordnung oder Anbindung der Spule innerhalb des Elektromotors oder auch des Elektromotors an ein Gehäuse und dergleichen in dem Motortemperaturmodell berücksichtigt werden.
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Das hierbei verwendete Motortemperaturmodells kann prinzipiell wie in der in
DE 10 2015 107 501 A1 beschrieben ausgestaltet sein bzw. verwendet werden. Im Vergleich dazu ist für Werkzeugmaschinen jedoch besonders wichtig, eine Zerstörung des Elektromotors durch Übertemperatur, z.B. ein Durchbrennen der Wicklungen, zu verhindern. Ein weiterer Grund, warum der Elektromotor bei einer Werkzeugmaschine nicht zu heiß werden soll ist z.B., um benachbarte Elektronik vor Übertemperatur zu schützen. Falls es sich um ein handgehaltenes bzw. mobiles Werkzeug handelt, darf auch die Oberflächentemperatur des Werkzeugs nicht zu hoch werden, damit sich der Werker bzw. Benutzer nicht verletzt.
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Bei Werkzeugmaschinen eignet sich die Verwendung eines solchen Motortemperaturmodells mit Bestimmung des Widerstands der Spule besonders gut zur sensorlosen Temperaturermittlung, da während der Messung bzw. Bestimmung des Widerstands die Spule bestromt werden muss, was in aller Regel nicht während eines regulären Motor-Betriebs erfolgen kann, bei Werkzeugmaschinen jedoch immer wieder bzw. in wiederkehrenden Abständen Betriebspausen vorliegen, in denen die Bestimmung möglich ist. Vorteilhafterweise wird somit die Ermittlung des elektrischen Widerstands der Spule des Elektromotors unmittelbar vor oder unmittelbar im Anschluss an einen Bearbeitungsvorgang durchgeführt. Mit anderen Worten wird der elektrische Widerstand der Spule jeweils zu Beginn und/oder zum Ende einer Betätigung der Werkzeugmaschine, die einen Betrieb des Elektromotors umfasst, ermittelt.
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Besonders bevorzugt kommt als Werkzeugmaschine dabei ein Schraubgerät in Betracht. Ein solches wird zum Festziehen bzw. Lösen von Schrauben mit dazwischen liegenden Betriebspausen verwendet. Denkbar sind jedoch auch andere Werkzeugmaschinen mit Elektromotor wie beispielsweise Bohrmaschinen. Allgemein kann es sich bei der Werkzeugmaschine um eine mobile oder eine stationäre Werkzeugmaschine handeln. Im Falle eines Schraubgeräts kommt hier also beispielsweise ein Handschrauber in Form beispielsweise eines Winkelschraubers oder eines Mittelgriffschraubers in Betracht. Denkbar sind aber beispielsweise auch stationäre Schraubspindeln. Besonders zweckmäßig sind hierbei auch sog. messende Werkzeugmaschinen, insbesondere Schraubgeräte, bei denen beispielsweise verschiedene Größen wie ein Anzugsmoment erfasst und überwacht werden, da dort ohnehin eine nötige Elektronik bzw. Recheneinheit vorhanden ist. Bei Schraubgeräten ist eine wiederholte bzw. regelmäßige oder zyklische Ermittlung des Widerstands der Spule und damit der Temperatur des Elektromotors problemlos möglich, da eine typische Verschraubung nicht länger als wenige Sekunden dauert und der Elektromotor nur während dieser Verschraubung aktiv ist.
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Vorzugsweise wird basierend auf einer initialen Ermittlung des elektrischen Widerstands der Spule nach einem Systemstart der Werkzeugmaschine unter Verwendung des Motortemperaturmodells die Temperatur des Elektromotors ermittelt, und basierend auf nachfolgenden Ermittlungen des elektrischen Widerstands der Spule wird dann eine jeweils aktuell durch das Motortemperaturmodell ermittelte Temperatur angepasst. Unter einem Systemstart ist hierbei insbesondere das Hochfahren der Elektronik bzw. der Software der Werkzeugmaschine nach einem Einschalten einer Stromversorgung zu verstehen.
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Auf diese Weise kann also zunächst bei noch geringer Temperatur des Elektromotors, die insbesondere auch zumindest im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht, ein Startwert für das Motortemperaturmodell besonders genau ermittelt werden. Die späteren Messungen werden dann insbesondere nur noch zur Anpassung bzw. Korrektur verwendet. Insgesamt lässt sich damit eine genauere Temperatur ermitteln als durch jeweils neue Messung bzw. Bestimmung.
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Zweckmäßig ist auch, wenn bei der Ermittlung der Temperatur des Elektromotors unter Verwendung des Motortemperaturmodells eine Verlustleistung des Elektromotors berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann die Temperatur zwischen zwei Messungen von Strom und Spannung ermittelt werden. Hierzu können auch verschiedene Parameter für die Bestimmung der Verlustleistung in dem Motortemperaturmodell berücksichtigt werden. Dabei läuft in der Steuerung der Werkzeugmaschine beispielsweise eine modellbasierte Kalkulation ab, wie sich die Motortemperatur bei der derzeit vorliegenden Verlustleistung des Motors verändern würde. Für die Kalkulation sind insbesondere werkzeug-spezifische Daten als Parameter hinterlegt, beispielsweise die Masse des Elektromotors und/oder die thermische Anbindung des Elektromotors an ein Werkzeuggehäuse. Außerdem kalkuliert die Steuerung zweckmäßigerweise ständig, wie viel thermische Energie im Elektromotor aufgrund von Wirkungsgradverlusten freigesetzt wird. Sofern die Parameter für die Kalkulation gut bzw. hinreichend genau mit den realen Werten übereinstimmen, liefert die Kalkulation als Ergebnis einen berechneten Temperaturwert für den Elektromotor, der sehr ähnlich zur realen Motortemperatur ist.
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Bei langen Zeiträumen für die Kalkulation entfernt sich die berechnete Motortemperatur häufig immer weiter von der realen Motortemperatur. Aus diesem Grund sollten lange Zeiträumen für die Kalkulation vermieden werden und stattdessen häufig eine Messung von Strom und Spannung erfolgen, um hieraus die Motortemperatur präzise zu ermitteln. Anschließend kann die Kalkulation jeweils erneut gestartet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der elektrische Widerstand der Spule jeweils zu Beginn und/oder zum Ende einer Betätigung der Werkzeugmaschine, die einen Betrieb des Elektromotors umfasst, ermittelt wird. Generell ist es zweckmäßig, wenn der Elektromotor während der Ermittlung des Widerstands der Spule stillsteht. Dies kann bei Beginn bzw. Ende einer solchen Betätigung erreicht werden. Unter einer solchen Betätigung kann beispielsweise das Drücken einer Betätigungstaste verstanden werden.
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Außerdem können auf diese Weise etwaige Irritationen eines Benutzers vermieden werden, die entstünden, wenn eine Ermittlung des Widerstands der Spule - was eine gewisse akustische Wahrnehmbarkeit mit sich bringt - außerhalb einer Verwendung der Werkzeugmaschine erfolgt. Bei Beginn bzw. beim Ende der Betätigung hingegen ist mit einem Geräusch zu rechnen. Dies lässt sich vorteilhaft für Fälle realisieren, in denen außerhalb einer aktiven Betätigung der Werkzeugmaschine beispielsweise aus Sicherheitsgründen eine wie auch immer geartete Betätigung oder ein Betrieb des Elektromotors nicht erlaubt ist.
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Vorzugsweise wird, wenn die ermittelte Temperatur des Elektromotors oberhalb eines vorgegebenen oberen Schwellwerts liegt, eine Gegenmaßnahme vorgenommen bzw. durchgeführt. Eine solche Gegenmaßnahme kann zweckmäßigerweise eine Fehlermeldung umfassen. Hierbei kann beispielsweise ein Benutzer akustisch und/oder optisch gewarnt werden. Denkbar ist aber auch ein Fehlerspeichereintrag. Ebenso kann eine solche Gegenmaßnahme aber auch eine aktive Unterbrechung des Betriebs des Elektromotors und damit auch der Werkzeugmaschine umfassen, beispielsweise um Schaden zu vermeiden. Denkbar sind auch verschiedene Schwellwerte, sodass beispielsweise zunächst eine Fehlermeldung erfolgt, bei noch höherer Temperatur dann eine Unterbrechung des Betriebs. Weiterhin kann dann auch der Betrieb wieder freigegeben werden, wenn die Temperatur wieder abgesunken ist, beispielsweise unter einen weiteren, geeigneten Schwellwert.
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Vorteilhafterweise wird die Häufigkeit, mit welcher der elektrische Widerstand der Spule ermittelt wird, in Abhängigkeit von der anhand des Motortemperaturmodells ermittelten Temperatur vorgegebenen. Beispielsweise wird die Häufigkeit reduziert, wenn die anhand des Motortemperaturmodells ermittelte Temperatur einen vorgegebenen unteren Schwellwert erreicht oder unterschreitet. Auf diese Weise müssen keine unnötigen Messungen vorgenommen werden, zumal bei niedrigen Temperaturen eine Gefahr der Überhitzung ohnehin unwahrscheinlich ist und zum anderen eine Ermittlung der Temperatur des Elektromotors auch alleine durch das Motortemperaturmodell ohne aktive Messung des Widerstands der Spule möglich ist, wobei die Temperaturermittlung bei diesem Vorgehen ggf. jedoch ungenauer ist als mit aktiver Messung des Widerstands.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Werkzeugmaschine ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin auch eine Werkzeugmaschine mit einem Elektromotor zum Antrieb und einer erfindungsgemäßen Recheneinheit.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 100 in einer bevorzugten Ausführungsform, hier beispielhaft in Form eines mobilen Schraubgeräts, insbesondere eines Winkelschraubers, dargestellt.
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Der Winkelschrauber 100 weist ein Gehäuse 140, zwei Handgriffe 141 und 142, einen Montagekopf 120, einen Akku 150 sowie eine Betätigungstaste 145 zum Betätigen des Winkelschraubers 100 auf. In dem Montagekopf 120 kann - je nach Ausbildung des Montagekopfes - beispielsweise ein Bit oder direkt eine Schraube eingesetzt werden. Zudem ist in dem Winkelschrauber ein Elektromotor 130 mit einer Spule 131, insbesondere einer Statorspule, vorgesehen, der zum bzw. als Antrieb des Winkelschraubers und damit zur Durchführung einer Schraubfunktion, dient.
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Weiterhin ist eine als Steuereinheit ausgebildete Recheneinheit 110 vorgesehen, auf der beispielsweise ein Anwendungsprogramm hinterlegt ist und die die nötige Elektronik zum Betrieb des Winkelschraubers 100 aufweist. Bei dem Winkelschrauber 100 kann es sich insbesondere um einen sog. messenden Schrauber handeln, d.h. es können beispielsweise Drehmomente bzw. Anzugsdrehmomente vorgegeben und überwacht, überprüft und/oder mitgeloggt werden. Hierzu kann beispielsweise ein Sensor 180 verwendet werden.
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Mit dem auf der Recheneinheit 110 hinterlegten Anwendungsprogramm kann nun beispielsweise auch ein elektrischer bzw. ohmscher Widerstand der Spule 131 ermittelt und unter Verwendung eines in dem Anwendungsprogramm vorhandenen Motortemperaturmodells die Temperatur des Elektromotors ermittelt werden, wie nachfolgend beispielhaft erläutert wird.
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In 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierbei sind zum einen eine Ermittlung des elektrischen Widerstands der Spule im Rahmen beispielsweise eines Schraubvorgangs und zum anderen eine Verwendung eines Motortemperaturmodells gezeigt.
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Zunächst kann nach einem Startschritt 200 zur Durchführung eines Schraubvorgangs in einem Schritt 205 überprüft werden, ob es sich bei dem aktuellen Schraubvorgang um den ersten Schraubvorgang und damit auch um die erste Ermittlung der Temperatur nach einem Systemstart der Werkzeugmaschine handelt. Falls ja („y“-Entscheidung), kann direkt eine (initiale) Ermittlung des Widerstands R der Spule in Schritt 215 vorgenommen werden.
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Falls nicht („n“-Entscheidung), kann in einem Schritt 210 zunächst geprüft werden, ob eine Bedingung vorliegt, bei welcher eine Ermittlung der Temperatur vorgenommen werden soll. Beispielsweise kann hier überprüft werden, ob eine aktuelle Temperatur unterhalb eines unteren Schwellwerts liegt, sodass aktuell beispielsweise keine Ermittlung des Widerstands vorgenommen zu werden braucht (vgl. „n“-Entscheidung zurück zu Schritt 200). Andernfalls kann zu Schritt 215 übergegangen werden.
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Bei der Ermittlung des Widerstands R der Spule kann insbesondere eine Strom- und Spannungsmessung vorgenommen werden. Aus dem Widerstand R kann dann für den Fall der initialen Ermittlung des Widerstands eine Starttemperatur T0 der Spule ermittelt oder bestimmt werden, im Falle einer nachfolgenden Ermittlung des Widerstands jedenfalls eine Temperatur TR der Spule.
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Prinzipiell muss nicht zwischen der ersten Widerstandsmessung (nach dem Booten bzw. Hochstarten) und Folgemessungen des Widerstands unterschieden werden. Jeweils zu den Zeitpunkten der Messung ist die Spulentemperatur direkt bekannt.
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Mit diesen Werten der Temperatur kann dann in Schritt 250 eine Ermittlung der Temperatur T des Elektromotors vorgenommen werden, und zwar unter Verwendung des Motortemperaturmodells M wie eingangs bereits erläutert. Die Verlustleistung des Motors kann durch die Differenz von angenommener elektrischen Energie (Produkt aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) und abgegebener mechanischen Energie (Produkt aus Drehmoment und mechanischer Winkeldrehzahl) berechnet werden. Dann kann die durch Verlustleistung verursachte Temperatursteigerung in einem PT1-Verhalten weitergeleitet werden.
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Es sei angemerkt, dass die Temperatur der Spule auch als Temperatur des Elektromotors verwendet werden kann, was in den allermeisten Fällen eine ausreichend genaue Näherung darstellt.
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In Schritt 255 kann überprüft werden, ob diese aktuelle Temperatur T oberhalb eines oberen Schwellwerts S liegt. Falls dem so ist, kann (vgl. „y“-Entscheidung) eine Gegenmaßnahme G durchgeführt bzw. ergriffen werden und beispielsweise bis zu einer Abkühlung des Motors keine neuen Schraubvorgänge mehr gestartet werden oder sogar der Schraubvorgang in Schritt 230 sofort beendet werden.
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Falls in Schritt 255 bestimmt wird, dass die aktuelle Temperatur T nicht oberhalb des oberen Schwellwerts S liegt und damit keine Überhitzung vorliegt, kann (vgl. „n“-Entscheidung) unter Ermittlung von beispielsweise Strom I, Drehzahl n, mechanischer Leistung Pm und elektrischer Leistung Pel in Schritt 265 eine Verlustleistung Pv für den Elektromotor ermittelt werden. Die Verlustleistung Pv berechnet sich dabei aus der Differenz aus aufgenommener elektrischen Leistung und der abgegebenen mechanischen Leistung, also Pv = Pel - Pm. Die abgegebene mechanische Leistung kann beispielsweise bei Schraubwerkzeugen einfach ermittelt werden, weil in der Regel an geeigneter Stelle, beispielsweise nach dem Elektromotor, ein Drehmomentsensor vorhanden ist, der Drehmoment und Drehzahl misst.
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Alternativ kann die Verlustleistung auch über den Wirkungsgrad berechnet werden, dann gilt: Pv = Pel * η, wobei η dem aktuell vorliegenden Wirkungsgrad des Elektromotors entspricht. Der Wirkungsgrad sollte dabei in Abhängigkeit von Parametern wie Drehmoment und Drehzahl in einer Tabelle hinterlegt sein. Daraus wiederum lässt sich in Schritt 270 ein Temperaturanstieg ΔT ermitteln, der wiederum in das Motortemperaturmodell M zur Berechnung der Temperatur T einfließen kann, wie eingangs bereits näher erläutert.
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Es kann somit also eine Korrektur bzw. Anpassung des Motortemperaturmodells M in Schritt 220 erfolgen. Unabhängig davon kann jedoch auch nach Schritt 215, ggf. nur mittels des ermittelten Widerstands, in Schritt 225 überprüft werden kann, ob die Temperatur T oberhalb des oberen Schwellwerts S liegt. Auch hier dann ggf. eine Gegenmaßnahme G durchgeführt werden und/oder der Schraubvorgang in Schritt 230 beendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015107501 A1 [0005, 0010]
