-
Stand der Technik
-
In der
DE 103 21 869 A1 ist ein Bohrhammer mit einem wechselbaren Werkzeughalter beschrieben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trainieren eines Klassifikators zur Bestimmung eines Handwerkzeugmaschinengerätezustands, umfassend folgende Schritte:
- - Bereitstellung einer Handwerkzeugmaschine;
- - Bereitstellung zumindest eines Sensors;
- - Betreiben der Handwerkzeugmaschine in einem Dauerlauf;
- - Beendigung des Dauerlaufs insbesondere bei Auftreten eines Schadenfalls;
- - Erfassung von Sensordaten im Dauerlauf;
- - Extrahierung von Merkmalen basierend auf den Sensordaten;
- - Ermittlung von zumindest zwei Handwerkzeugmaschinengerätezuständen basierend auf den extrahierten Merkmalen.
-
Unter einer Handwerkzeugmaschine soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gerät zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Typische Handwerkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Schlaghämmer, Winkelschleifer, Hobel, Schleifgeräte oder dergleichen. Die Handwerkzeugmaschine weist vorzugsweise eine einen Elektromotor aufweisende Antriebseinheit auf, die direkt oder über ein Getriebe mit einer Werkzeugaufnahme verbunden ist. Die Werkzeugaufnahme ist insbesondere zur lösbaren Befestigung eines Einsatzwerkzeugs ausgebildet.
-
Die Handwerkzeugmaschine weist ein Gehäuse auf, das zumindest teilweise, insbesondere vollständig, als ein Außengehäuse ausgebildet. Das Gehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Das Gehäuse ist zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einem Kunststoff ausgebildet. Des Weiteren kann das Gehäuse der Handwerkzeugmaschine ein Innengehäuse aufweisen, das zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, von dem Außengehäuse umschlossen sind.
-
Der Elektromotor der Antriebseinheit kann als ein Gleichstrommotor oder als ein Wechselstrommotor ausgebildet sein. Die Kommutierung des Elektromotors kann elektronisch oder über Kohlebürsten erfolgen. Der Elektromotor ist um eine Motorachse drehbar im Gehäuse der Handwerkzeugmaschine gelagert. Über die Getriebeeinheit ist die Antriebsbewegung der Antriebseinheit bzw. des Elektromotors auf die Werkzeugaufnahme bzw. auf das Einsatzwerkzeug übertragbar. Die Handwerkzeugmaschine kann eine Schlagwerkeinheit aufweisen. Die Schlagwerkeinheit kann beispielsweise als ein pneumatisches Schlagwerk oder als ein Rastenschlagwerk ausgebildet sein. Das pneumatische Schlagwerk kann beispielsweise als ein Exzenterschlagwerk oder als ein Taumelschlagwerk ausgebildet sein. Insbesondere weist die Schlagwerkeinheit ein Führungsrohr auf, in welchem ein Schläger und/oder ein Kolben linear beweglich aufgenommen sind. Der Kolben ist vorzugsweise über das Exzenterschlagwerk oder das Taumelschlagwerk linear oszillierend antreibbar ausgebildet. Die Getriebeeinheit ist insbesondere derart ausgebildet, dass ein mit der Werkzeugaufnahme verbundenes Einsatzwerkzeug rotierend um und/oder linear oszillierend bzw. schlagend entlang einer Arbeitsachse antreibbar ist.
-
Die Handwerkzeugmaschine umfasst vorzugsweise eine Elektronik auf, die dazu ausgebildet ist, die Handwerkzeugmaschine, insbesondere die Antriebseinheit der Handwerkzeugmaschine, zu steuern oder zu regeln. Die Elektronik weist vorzugsweise eine Leiterplatte auf, auf der elektronische Komponenten, wie beispielsweise eine Recheneinheit und Speichereinheit, angeordnet sind. Des Weiteren weist die Elektronik insbesondere zumindest einen Sensor auf. Der zumindest eine Sensor kann auf der Leiterplatte oder an einem anderen Ort innerhalb oder außerhalb des Gehäuses der Handwerkzeugmaschine angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass zumindest ein weiterer Sensor vorgesehen ist, der einem externen Gerät, wie beispielsweise einem Smartphone, zugeordnet ist. Die Elektronik kann eine Kommunikationseinheit aufweisen, mittels der die Elektronik Informationen mit einer anderen Handwerkzeugmaschine, einem Handwerkzeugmaschinenzubehör, einem externen Gerät, mit einem externen Sensor etc. austauschen kann. Das externe Gerät kann beispielsweise als ein Smartphone oder als Server ausgebildet sein. Die Kommunikationseinheit kann beispielsweise als eine USB-Schnittstelle, also drahtgebunden, oder als eine Bluetooth- oder WLAN-Schnittstelle und somit drahtlos ausgebildet sein.
-
Unter einem Handwerkzeugmaschinengerätezustand soll im Zusammenhang dieser Anmeldung insbesondere ein Gerätezustand verstanden werden, der die Funktionsfähigkeit der Handwerkzeugmaschine beschreibt. Alternativ oder zusätzlich kann untere einem Handwerkzeugmaschinengerätezustand auch eine Änderung einer einzelnen Funktion, insbesondere eine Änderung eine Sekundärfunktion, wie beispielsweise einem Ansteigen von Betriebsgeräuschen, verstanden werden. Insbesondere soll unter einem Handwerkzeugmaschinengerätezustand kein Betriebszustand, wie beispielsweise an- oder ausgeschaltet oder in welchem Modus die Handwerkzeugmaschine betrieben wird, beispielsweise die Drehzahl, Lastzustand/Leerlaufdrehzahl, mit eingeschalteter Zusatzfunktion wie eine Absaugung oder ein Schlagwerk, etc. verstanden werden.
-
Unter einem Dauerlauf soll im Zusammenhang dieser Anmeldung insbesondere verstanden werden, dass die Handwerkzeugmaschine für einen langen Zeitraum im Leerlaufzustand betrieben wird, beispielsweise für ein oder mehrere Stunden oder einen Arbeitstag oder durchgehend über mehrere Tage. Alternativ wäre auch denkbar, dass die Handwerkzeugmaschine für einen längeren Zeitraum in einem Lastzustand betrieben wird. Im Unterschied zum Leerlaufzustand wird die Handwerkzeugmaschine im Lastzustand unter Last betrieben, um zum Beispiel ein Bohrloch zu bohren, ein Werkstück abzutragen, ein Befestigungselement zu setzen, etc. Vorteilhaft gibt es im Dauerlauf weniger Störgrößen als im normalen Betrieb und daher ist ein schnelleres Training und eine bessere bzw. eindeutige Zuweisung der Merkmale möglich. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass Sensordaten im realen Arbeitsbetrieb, also in einem Lastzustand oder bei einem Wechsel zwischen einem Lastzustand und einem Leerlaufzustand erfasst und zum Trainieren des Klassifikators bereitgestellt werden.
-
Unter einem Schadensfall soll im Zusammenhang dieser Anmeldung insbesondere ein Schaden, ein Defekt oder eine Funktionseinschränkung der Handwerkzeugmaschine verstanden werden, die die Benutzung der Handwerkzeugmaschine verhindert oder einschränkt. Bei der Einschränkung kann es sich beispielsweise um den Ausfall einer Funktion, wie beispielsweise einer Schlagfunktion, oder um eine Verringerung der Leistung handeln. Unter einer Funktionseinschränkung soll des Weiteren insbesondere auch eine Verschlechterung einer Sekundärfunktion, wie beispielsweise eine Erhöhung der Geräusche oder eine Verringerung der Effizienz durch eine erhöhte Stromaufnahme verstanden werden.
-
Unter einem Merkmal soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein physikalischer Parameter, wie beispielsweise eine Temperatur, eine Beschleunigung, eine Bewegung, ein Gewicht, ein Strom, ein Moment, ein Druck, eine Benutzungszeit, eine Drehzahl des Elektromotors, etc verstanden werden. Bei den extrahierten Merkmalen kann es sich dabei beispielhaft um einen Absolutwert, einen gemittelten Wert, einen gemessenen oder geschätzten Wert, eine Frequenz, eine Amplitude, eine Steigung, oder weiterer aus den Sensorsignalen abgeleiteten Signalmerkmalen handeln. Es ist zudem denkbar, dass die Merkmale oder die Signalmerkmale durch Methoden des maschinellen Lernens bzw. der künstlichen Intelligenz ermittelt werden.
-
Bei dem Verfahren zum Trainieren eines Klassifikators handelt es sich um ein teilweise oder vollständig computerimplementiertes Verfahren, bei dem die Klassifizierung über automatische Prozesse, insbesondere mit Hilfe Methoden des maschinellen Lernens erfolgt. Die Merkmale können per Algorithmus oder über einen Benutzer bzw. in diesem Fall einem Softwarentwickler oder ein Hardwarentwickler ausgewählt werden. Die Ermittlung der Handwerkzeugmaschinengerätezustände basierend auf den extrahierten Merkmalen kann über ein überwachtes Lernen erfolgen, wobei dem Algorithmus mitgeteilt wird, ob ein Merkmal einem Gerätezustand zugewiesen wird oder nicht (bsp. durch einen Benutzer). Die Ermittlung der Handwerkzeugmaschinengerätezustände basierend auf den extrahierten Merkmalen kann alternativ oder zusätzlich auch über ein unüberwachtes Lernen erfolgen, bei dem der Algorithmus automatisch bzw. selbstständig Merkmale Handwerkzeugmaschinengerätezustände zuweist. Die Handwerkzeugmaschinengerätezustände entsprechen dabei verschiedenen Klassen. Die Zuordnung erfolgt über gängige Klassifizierungsalgorithmen, wie beispielsweise KNN (k-nearest-neighbour), SVM (supported vector machines), decision trees, neural networks, oder dergleichen.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Handwerkzeugmaschine als eine Versuchshandwerkzeugmaschine ausgebildet ist, die mehr Sensoren aufweist, als ein insbesondere geplantes Handelsgerät. Vorteilhaft kann über eine derartige Versuchshandwerkzeugmaschine mehr Merkmale extrahiert werden, als über ein Handelsgerät, das üblicherweise lediglich Sensoren aufweist, die für den Betrieb der Handwerkzeugmaschine notwendig sind. Vorteilhaft werden somit in der Entwicklungsphase eine größere Anzahl von Sensoren verwendet, um die relevanten Signale bzw. Informationen zu ermitteln.
-
Bei den Sensoren kann es sich um interne Sensoren, die im Gehäuse der Handwerkzeugmaschine angeordnet sind, oder um externe Sensoren, die am oder außerhalb des Gehäuses der Handwerkzeugmaschine angeordnet sind, handeln. Der Sensor kann beispielsweise als ein Bewegungssensor, insbesondere ein Beschleunigungssensor oder ein Gyrosensor, als ein Temperatursensor, wie beispielsweise ein NTC oder ein PTC, als ein Stromsensor, als ein Drehzahlsensor, als ein Körperschallsensor, als ein Mikrophon, als ein Hallsensor, als ein Drucksensor, als ein Kraftsensor, insbesondere einem kapazitiven oder resistiven Kraftsensor, als ein optischer Sensor, beispielsweise in Form einer Kamera, etc. ausgebildet sein. Der Beschleunigungssensor kann insbesondere als ein MEMS-Beschleunigungssensor, vorzugsweist mit einer Bandbreite von zumindest 2 kHZ, bevorzugt zumindest 5 kHz, ausgebildet sein. Das Mikrofon ist insbesondere als ein MEMS-Mikrofon ausgebildet.
-
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die die Versuchshandwerkzeugmaschine zumindest drei unterschiedliche Sensoren aufweist, vorzugsweise zumindest vier unterschiedliche Sensoren, bevorzugt zumindest fünf unterschiedliche Sensoren, aufweist. Insbesondere weist die Versuchshandwerkzeugmaschine zumindest einen der unterschiedlichen Sensoren mehr als einmal, vorzugsweise mehr als zweimal an der gleichen oder an unterschiedlichen Positionen auf. Vorzugsweise kann dadurch die Anzahl an extrahierbaren Merkmalen vergrößert werden.
-
Zudem wird vorgeschlagen, dass zumindest einer der Sensoren in einem Bereich angeordnet ist, bei dem ein Schaden zu erwarten ist, oder in dem ein erhöhter Verschleiß auftritt oder in welchem eine Überlastung oder eine Überhitzung zu erwarten ist. Vorteilhaft kann dadurch die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass die optimalen Merkmale zur Ermittlung der Handwerkzeugmaschinengerätezustände extrahiert werden.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Extrahierung der Merkmale mittels einer Hauptkomponentenanalyse (engl: Principal Component Analysis, kurz PCA) erfolgt, wodurch die Anzahl der Merkmale reduziert wird bzw. eine Gewichtung erfolgt. Insbesondere können mittels der PCA die relevanten Merkmale extrahiert werden. Die PCA ist ein mathematisches Verfahren, dass
als ein computerimplementierter Verfahrensschritt durchgeführt wird. Die PCA kann mittels der Handwerkzeugmaschine bzw. lokal in der Handwerkzeugmaschine oder mittels eines externen Geräts bzw. in einer externen Recheneinheit erfolgen.
-
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zumindest drei Handwerkzeugmaschinengerätezustände ermittelt werden, einen neuen Handwerkzeugmaschinengerätezustand, einen gebrauchten Handwerkzeugmaschinengerätezustand und einen defekten Handwerkzeugmaschinengerätezustand. Vorzugsweise werden zumindest vier Handwerkzeugmaschinengerätezustände ermittelt, wobei ein zusätzlicher kritische Handwerkzeugmaschinengerätezustand ermittelt wird.
-
Zudem wird vorgeschlagen, dass in einem zusätzlichen Schritt eine Art des Schadensfalls ermittelt wird, wobei die Art des Schadensfalls einem Handwerkzeugmaschinengeräteunterzustand zugeordnet wird. Vorteilhaft kann dadurch die Art des Schadens ermittelt werden. Die Ermittlung des Schadens wird vorzugsweise durch einen Benutzer durchgeführt. Hierfür kann eine teilweise Demontage der Handwerkzeugmaschine notwendig sein. Der Handwerkzeugmaschinengeräteunterzustand entspricht insbesondere einer Unterklasse.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Qualität des Klassifikators mittels Handelsgeräten und/oder gebrauchten Handelsgeräten bewertet wird. Vorteilhaft kann dadurch die Qualität des Klassifikator überprüft werden.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Handwerkzeugmaschinengerätezustands, umfassend folgende Schritte:
- - Bereitstellung einer gebrauchten oder defekten Handwerkzeugmaschine;
- - Erfassung von Sensordaten, insbesondere mittels eines externen Sensors;
- - Extrahierung von Merkmalen basierend auf den Sensordaten;
- - Ermittlung eines Handwerkzeugmaschinengerätezustand, insbesondere eines Handwerkzeugmaschinenunterzustand, basierend auf den extrahierten Merkmalen.
-
Vorteilhaft kann dadurch eine genaue Bestimmung des Zustands der Handwerkzeugmaschine realisiert werden. Der externe Sensor kann beispielsweise als ein Mikrophon, insbesondere ein Mikrophon eines Smartphone, ausgebildet sein. Zudem wird vorgeschlagen, dass die Handwerkzeugmaschine repariert wird und von der reparierten Handwerkzeugmaschine Sensordaten erfasst werden, die wiederum zum Trainieren des Klassifikator verwendet werden. Vorteilhaft können dadurch weitere Handwerkzeugmaschinenunterzustände ermittelt werden.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Handwerkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einem wie zuvor beschrieben trainierten Klassifikator. Die Handwerkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, den Handwerkzeugmaschinengerätezustand zu ermitteln.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Handwerkzeugmaschine oder ein Handwerkzeugmaschinenzubehör mit einer Handwerkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung, wobei über das zuvor beschriebene Verfahren eine Anzahl an Sensoren, eine Position der jeweiligen Sensoren und/oder eine Art der jeweiligen Sensoren in der Handwerkzeugmaschine bestimmt wurde.
-
Figurenliste
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
-
Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch eine Handwerkzeugmaschine, die als ein Versuchsgerät ausgebildet ist;
- 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Trainieren eines Klassifikator;
- 3 eine Auswertung einer PCA Analyse;
- 4 eine Zuordnungen von Handwerkzeugmaschinengerätezuständen basierend auf den Hauptkomponenten der PCA;
- 5 eine Überprüfung der Qualität des Klassifikators;
- 6 einen Schnitt durch eine Handwerkzeugmaschine, die als ein Handelsgerät ausgebildet ist;
- 7 einen Schnitt durch eine alternative Handwerkzeugmaschine, die als eine Handelsgerät ausgebildet ist.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist ein Längsschnitt einer Handwerkzeugmaschine 10 in Form eines Bohrhammers 12 gezeigt. Die Handwerkzeugmaschine 10 weist ein Gehäuse 13 auf, welches ein Außengehäuse und ein Innengehäuse umfasst. In dem Gehäuse 13 der Handwerkzeugmaschine 10 ist eine einen Elektromotor 18 aufweisende Antriebseinheit 20 angeordnet, die eine Antriebsbewegung auf eine Getriebeeinheit 22 überträgt, die eine Schlagwerkeinheit 24 aufweist. Die Schlagwerkeinheit 24 ist beispielhaft als ein pneumatisches Schlagwerk ausgebildet.
-
Das Innengehäuse weist ein Motorgehäuse 16 und ein Getriebegehäuse 23 auf, die von dem Außengehäuse umschlossen sind. Im Getriebegehäuse 23 ist die Schlagwerkeinheit 24, insbesondere die Getriebeeinheit 22, im Wesentlichen vollständig aufgenommen. Das Getriebegehäuse 23 spannt zumindest teilweise einen Fettraum auf, in welchem ein Schmiermittel zur Schmierung der Getriebeeinheit 22 angeordnet ist. Das Motorgehäuse 16 ist insbesondere zur Aufnahme und/oder Lagerung des Elektromotors 18 ausgebildet. Das Getriebegehäuse 23 besteht beispielhaft aus einem anderen Werkstoff als das übrige Außengehäuse. Das Getriebegehäuse 23 besteht beispielhaft aus einem metallischen Werkstoff, während das Motorgehäuse 16 und das Außengehäuse aus einem Kunststoff bestehen. Es ist allerdings ebenso denkbar, dass das Getriebegehäuse 23 aus einem Kunststoff besteht. Insbesondere weist das Getriebegehäuse 23 und/oder das Motorgehäuse eine höhere Festigkeit und/oder Temperaturbeständigkeit auf, als das Außengehäuse.
-
Über die Getriebeeinheit 22 wird die Antriebsbewegung der Antriebseinheit 20 auf eine Werkzeugaufnahme 20 übertragen, in der ein Einsatzwerkzeug 26 lösbar befestigt ist. Das Einsatzwerkzeug 26 ist beispielhaft als ein Gesteinsbohrer zum Bohren von Löchern in Beton ausgebildet. Das Einsatzwerkzeug 26 ist rotatorisch um und/oder linear oszillierend bzw. schlagend entlang einer Arbeitsachse 29 antreibbar ausgebildet. Zudem kann das Einsatzwerkzeug 26 im Rechtslauf bzw. im Uhrzeigersinn oder im Linkslauf angetrieben werden. Die Arbeitsachse 29 erstreckt sich beispielhaft kreuzend, insbesondere im Wesentlichen senkrecht, zu einer Motorachse 17 der Antriebseinheit 20.
-
Die Handwerkzeugmaschine 10 weist einen Handgriff 30 auf. Der Handgriff erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zu der Arbeitsachse 29. Der Handgriff 30 ist auf einer der Werkzeugaufnahme 20 abgewandten Seite des Gehäuses 13 angeordnet. Der Handgriff 30 weist einen Betriebsschalter 32 auf, über den die Handwerkzeugmaschine 10 manuell steuerbar bzw. ein- und ausschaltbar ist. Der Betriebsschalter 32 ist beispielhaft als ein Signalschalter ausgebildet. Der Handgriff 30 ist beispielhaft als ein vibrationsentkoppelter Handgriff 30 ausgebildet. Insbesondere ist der Handgriff 30 über eine Dämpfungseinheit 31 mit dem Gehäuse 13 der Handwerkzeugmaschine 10 verbunden. Der Handgriff 30 ist relativ beweglich zu dem Gehäuse 13 mit diesem verbunden. Des Weiteren weist die Handwerkzeugmaschine 10 einen Zusatzhandgriff 33 auf, der lösbar mit dem Gehäuse 13 verbunden ist.
-
Die Handwerkzeugmaschine 10 ist beispielhaft als eine Netz-Handwerkzeugmaschine ausgebildet, die über ein Netzkabel 34 mit einer Energieversorgung, wie beispielsweise einem Stromnetz, verbindbar ist. Alternativ wäre auch denkbar, dass die Handwerkzeugmaschine 10 als ein Akku-Handwerkzeugmaschine ausgebildet ist, die eine Akkuschnittstelle aufweist, über die ein Akkupack werkzeuglos lösbar mit der Handwerkzeugmaschine elektrisch und mechanisch verbindbar ist.
-
Die Handwerkzeugmaschine 10 weist eine Elektronik 40 auf. Die Elektronik 40 ist zur Steuerung oder Regelung der Handwerkzeugmaschine 10 ausgebildet. Die Elektronik 40 umfasst eine Leiterplatte 42, auf der eine Recheneinheit zur Durchführung von Rechenoperationen und eine Speichereinheit zum Speichern von Daten angeordnet ist. Die Leiterplatte 42 erstreckt sich insbesondere unmittelbar benachbart zu dem Elektromotor 18 und entlang der Motorachse 17.
-
Die Handwerkzeugmaschine 10 weist mehrere Sensoren 44 auf. Auf der Leiterplatte 42 sind ein erster Sensor 46, der als ein Temperatursensor 48 ausgebildet ist, und ein zweiter Sensor 50, der als ein Beschleunigungssensor 52 ausgebildet ist, angeordnet. Der Temperatursensor 48 ist zur Erfassung einer Temperaturgröße ausgebildet, die der Elektronik 40 bereitgestellt werden. Basierend auf der Temperaturgröße ist durch die Elektronik 40 eine Temperatur ermittelbar, wobei basierend auf der Temperatur die Handwerkzeugmaschine 10 steuerbar ist. Beispielweise kann eine Notabschaltung oder ein Betrieb mit reduzierter Leistung durch die Elektronik 40 eingeleitet werden, falls die Temperatur einen Schwellenwert überschreitet. Der Beschleunigungssensor 52 ist dazu ausgebildet, eine Beschleunigungsgröße zu erfassen, die der Elektronik 40 bereitgestellt wird. Beispielsweise ist über die Beschleunigungsgröße erfassbar, ob ein Leerlaufbetrieb oder ein Lastbetrieb der Handwerkzeugmaschine 10 vorliegt, wobei im Lastbetrieb die Handwerkzeugmaschine 10 mit einer höheren Leistung und/oder einer höheren Motordrehzahl angetrieben wird. Zudem sind über die Beschleunigungsgröße Armierungstreffer ermittelbar, bei denen die Handwerkzeugmaschine 10 aktiv abgebremst wird. Des Weiteren umfasst die Handwerkzeugmaschine 10 einen dritten Sensor 54, der als ein Hall-Sensor 56 ausgebildet ist. Der Hall-Sensor 56 ist zur Erfassung einer Drehzahlgröße des Elektromotors 18 ausgebildet, die der Elektronik 40 bereitgestellt wird, welche den Elektromotor basierend auf der Drehzahlgröße steuert oder regelt. Der dritte Sensor 54 ist auf einer Leiterplatte 58 der Antriebseinheit 20 angeordnet. die Leiterplatte 58 der Antriebseinheit 20 erstreckt sich teilweise um eine Motorwelle 19 des Elektromotors 18.
-
Die Verwendung des ersten Sensors 46, des zweiten Sensors 50 und des dritten Sensors 54 sind dem Fachmann bekannt und werden so in handelsüblichen Bohrhämmern verwendet.
-
Die in 1 gezeigte Handwerkzeugmaschine 10 ist als eine Versuchshandwerkzeugmaschine 60 ausgebildet, die zusätzliche Sensoren 44 zur Erfassung von Sensordaten aufweist. Im Bereich der Antriebseinheit 20 sind zwei zusätzliche Sensoren 44 angeordnet, die im Bereich einer ersten Lagerstelle 64 und einer zweiten Lagerstelle 66 der Motorwelle 19 angeordnet sind. Der erste Lagerstelle 64 ist auf einer der Getriebeeinheit 22 abgewandten Seite der Antriebseinheit 20 angeordnet und als ein Kugellager 65 ausgebildet. Insbesondere ist die erste Lagerstelle 64 im Motorgehäuse 16 angeordnet. Im Bereich der ersten Lagerstelle 64 ist ein vierter Sensor 68 in Form eines Beschleunigungssensors 52 angeordnet. Der vierte Sensor 68 kann unmittelbar an dem Kugellager 65 anliegen oder im Nahbereich, beispielsweise am Motorgehäuse 16 befestigt sein. Die zweite Lagerstelle 66 ist auf einer der Getriebeeinheit 22 zugewandten Seite der Antriebseinheit 20 angeordnet und als ein Kugellager 67 ausgebildet. Insbesondere ist die zweite Lagerstelle 66 im Getriebegehäuse 23 angeordnet. Der fünfte Sensor 70 ist ebenfalls als ein Beschleunigungssensor 52 ausgebildet und im Bereich der zweiten Lagerstelle 66 angeordnet. Im Bereich der ersten und der zweiten Lagerstelle 64, 66 tritt im Betrieb der Handwerkzeugmaschine 10 ein erhöhter Verschleiß auf, der über Sensordaten des vierten und fünften Sensors 68, 70 erfassbar und ermittelbar ist.
-
Die Handwerkzeugmaschine 10 weist im Bereich der Getriebeeinheit 22 zusätzliche Sensoren 44 auf. Im Bereich der Getriebeeinheit 22, insbesondere im Bereich der Schlagwerkeinheit 24, ist ein sechster Sensor 72, ein siebter Sensor 74 und ein achter Sensor 76 angeordnet, die als Temperatursensoren 48 ausgebildet sind. Im Betrieb der Schlagwerkeinheit 24 erhitzt sich diese sehr stark und im gebrauchten oder defekten Zustand können die Temperaturen in einzelnen Bereichen verstärkt ansteigen, wodurch der Zustand durch diese Temperaturen erfassbar ist.
-
Der sechste Sensor 72 ist beispielhaft außerhalb eines Hammerrohrs 78 angeordnet, in welchem im Betrieb der Schlagwerkeinheit 24 in einem Kompressionsraum 80 eine Luftfeder zwischen einem Antriebskolben 82 und einem Schläger 84 gebildet wird. Der Schläger 84 wird durch den Antriebskolben 82 bzw. die Luftfeder angetrieben und beaufschlagt einen Schlagbolzen 86, wobei der Antriebskolben 82, der Schläger 84 und der Schlagbolzen 86 linear beweglich im Hammerrohr 78 angeordnet sind. Der sechste Sensor 72 ist insbesondere in einem Bereich angeordnet, in welchem der Schläger 84 auf den Schlagbolzen 86 trifft. Der siebte Sensor 74 ist im Bereich des Kompressionsraums 80 angeordnet. Der siebte Sensor 74 kann innerhalb oder außerhalb des Hammerrohrs 78 angeordnet sein. Der achte Sensor 76 ist in einem Bereich angeordnet, der benachbart zu einer Überrastkupplung 88 steht. Der achte Sensor 76 ist beispielhaft zwischen dem Getriebegehäuse 23 und dem Außengehäuse angeordnet.
-
Beispielhaft sind alle Sensoren 44 mit der Elektronik 40 verbunden, sodass sämtliche erfassten Sensordaten der Elektronik 40 bereitgestellt werden. Die Elektronik 40 wiederum weist eine Kommunikationseinheit 90 auf, über die die Handwerkzeugmaschine 10 an ein externes Gerät 92 Informationen, insbesondere die Sensordaten, übertragen kann 94. Die Kommunikation erfolgt dabei beispielhaft über Bluetooth, es wären allerdings auch andere Kommunikationsmöglichkeiten denkbar, wie beispielsweise WLAN oder ein drahtgebundener Austausch über USB. Das externe Gerät 92 ist beispielhaft als ein Laptop ausgebildet. Es wäre allerdings auch denkbar, dass das externe Gerät 92 als ein Smartphone oder als ein Server oder ein Rechennetzwerk in Form einer Cloud ausgebildet ist. Wesentlich für das externe Gerät 92 ist, dass das externe Gerät ausreichend Rechenleistung zum Trainieren eines Klassifikators aufweist.
-
Das Verfahren zum Trainieren eines Klassifikators zur Bestimmung eines Handwerkzeugmaschinengerätezustands erfolgt vorzugsweise auf einem externen Gerät 92, welches direkt oder indirekt, also über zumindest ein weiteres externes Gerät 92, mit der Handwerkzeugmaschine 10 verbindbar ist. In 2 wird das Verfahren zum Trainieren des Klassifikator beispielhaft anhand eines Flussdiagramms beschrieben.
-
In einem ersten Schritt 100 wird mit einer Handwerkzeugmaschine 10 ein Dauerlauf durchgeführt. Der Dauerlauf dauert mehrere Stunden, beispielsweise acht Stunden, während denen die Handwerkzeugmaschine 10 in einem Leerlauf betrieben wird und mittels der Sensoren 44 werden Sensordaten erfasst und in einem Schritt 102 in der Speichereinheit der Elektronik 40 gespeichert. Es wäre auch denkbar, den Dauerlauf im Lastzustand, beispielsweise beim Bohren oder Meißeln durchzuführen, in diesem Fall ist die Wahrscheinlichkeit von Störeinflüssen allerdings höher. Die erfassten Sensordaten werden in einem Schritt 104 auf ein externes Gerät 92 übertragen, auf welchem das Verfahren zur Klassifizierung durchgeführt wird. Die Schritte 100, 102, 104 werden vorzugsweise so lange wiederholt, bis in einem Schritt 106 die Handwerkzeugmaschine 10 defekt bzw. nicht mehr betriebsfähig ist und der Dauerlauf beendet wird.
-
Nach Beendigung des Dauerlaufs werden in einem Schritt 108 aus den aufgezeichneten Sensordaten auf dem externen Gerät 92 zunächst eine große Anzahl von Merkmalen extrahier. Bei den Merkmalen handelt es sich dabei um bestimmte Sensordaten der Sensoren 44, insbesondere und beispielsweise Mittelwerte, Standartabweichungen, Schiefe, Kurtosis, Maxima von Frequenzspektren, Energien der Signale in bestimmten Frequenzbändern, Amplituden, Spektren von Signalhüllkurven, etc.
-
Mit Hilfe einer PCA wird in einem Schritt 110 bestimmt, welche Merkmale die Veränderung des Handwerkzeugmaschinengerätezustands mit ausreichender Genauigkeit beschrieben. Die Auswahl der relevanten Merkmale erfolgt somit automatisch. In 3 ist eine beispielhaft PCA-Auswertung gezeigt. In diesem Beispiel ergibt die Berechnung basierend auf der PCA, dass zur Beschreibung der Handwerkzeugmaschinenzustandsänderungen lediglich 10 Merkmale ausreichen, um 80% der Zustandsänderungen zu beschreiben. Dies ermöglicht eine gezielte Auswahl der Merkmale und somit eine Reduzierung der auszuwertenden Signale bzw. Signaleigenschaften, womit auch eine Reduzierung an Sensoren einhergehen kann.
-
Im nachfolgenden Schritt 112 werden die Klassifizierungsalgorithmen trainiert, die erkennen, ob einzelne Merkmale in einem Merkmalsraum, der einem Handwerkzeugmaschinengerätezustand entspricht, nahe beieinanderliegen, also ähnlich sind. Nahe beieinanderliegende Merkmale werden zur Ermittlung des Handwerkzeugmaschinengerätezustands eingesetzt, da bekannt ist, in welchem Zustand sich die Handwerkzeugmaschine 10 während dem Dauerlauf befunden hat.
-
In 4 sind beispielhaft die gemäß PCA zwei relevantesten Merkmale gegeneinander aufgetragen und vier Handwerkzeugmaschinengerätezuständen zugeordnet. Bei den vier Handwerkzeugmaschinengerätezuständen handelt es sich um einen neuen Handwerkzeugmaschinengerätezustand 200, einen gebrauchten Handwerkzeugmaschinengerätezustand 202, einen kritischen Handwerkzeugmaschinengerätezustand 204 und einen defekten Handwerkzeugmaschinengerätezustand 206. Deutlich zu sehen ist, dass der neue Handwerkzeugmaschinengerätezustand 200 und der defekte Handwerkzeugmaschinengerätezustand 206 bereits in der Darstellung mit nur 2 Merkmalen deutlich voneinander unterscheidbar ist. Durch das Hinzubeziehen weiterer Merkmale können die Klassifizierungsalgorithmen auch zwischen dem gebrauchten Handwerkzeugmaschinengerätezustand 202 und dem defekten Handwerkzeugmaschinengerätezustand 206 präzise unterscheiden. Durch Wiederholung der Datenerfassung mit anderen Handwerkzeugmaschinen 10, die andere Defekte aufweisen, ist zudem auch möglich, dass Handwerkzeugmaschinengeräteunterzustände ermittelt werden, die spezifische Schäden wie Defekte an der ersten oder zweiten Lagerstelle 64, 66 oder einem Defekt im Bereich der Überrastkupplung 88 entsprechen. Demnach ist über die Lage der Anhäufungen im Merkmalsraum eine Zuordnung von bestimmten Schäden, Defekten bzw. Maschinenelementen möglich. Unterschiedliche Defekte, wie zum Beispiel Zahnradverschließ, Zahnbruch, Lagerschäden oder dergleichen führen dazu, dass der Handwerkzeugmaschinengerätezustand im Merkmalsraum in einem unterschiedlichen Bereich liegt. Dies bedeutet, dass auch die Schadensart durch die Position des Handwerkzeugmaschinengerätezustands im Merkmalsraum bestimmbar und somit die Art des Schadens ermittelbar ist. Somit kann das defekte oder kritische Bauteil identifiziert und ausgetauscht werden. Das Wissen bezüglich des defekten Bauteils kann auch dazu eingesetzt werden, das fehlerhafte Bauteil zu bestellen, bevor das Gerät im Service eintrifft, womit der Reparaturprozess beschleunigt werden kann.
-
Zusätzlich ist ebenso denkbar, dass für den neuen Handwerkzeugmaschinengerätezustand 200 zusätzliche Daten bzw. Merkmale hinzugezogen werden, die beispielsweise bei der Produktion der Handwerkzeugmaschine erfasst werden, wie beispielhaft protokollierte Zeichnungsmerkmale wie Rauheit oder Abmessungen von Bauteilen. Es besteht dann die Möglichkeit, diese Werte mit denen zu vergleichen, die in den Handwerkzeugmaschinengerätezuständen gebraucht, kritisch und defekt vorliegen. Wenn diese Werte auch im Betrieb der Geräte zugänglich oder erfassbar sind, können sie als weitere Merkmale dienen.
-
Mit dem Schritt 112 kann die Trainingsphase des maschinellen Lernens abgeschlossen sein. Es ist allerdings auch denkbar, dass weitere Handwerkzeugmaschinen 10 mit eventuell unterschiedlichen Sensoren 44 zu Erfassung von mehr Sensordaten verwendet werden. Ebenfalls ist denkbar, die bei der Anwendung der Gerätedaten anfallenden Daten nicht nur für die Zustandsbeurteilung zu verwenden, sondern auch um die Klassifizierungsalgorithmen laufend weiter zu verbessern.
-
In der Anwendungsphase werden die Handwerkzeugmaschinen als Seriengeräte vorzugsweise mit Sensoren 44 ausgestattet, aus deren Sensordaten die relevantesten Merkmale zur Ermittlung der Handwerkzeugmaschinengerätezustände erfassbar sind. Somit werden die Sensoren der Seriengeräte vorteilhaft basierend auf den Erkenntnissen des Klassifizierungsverfahrens ausgewählt und positioniert. Insbesondere weisen die Seriengeräte zusätzliche Sensoren auf, wobei mittels der zusätzlichen Sensoren die Handwerkzeugmaschine bzw. das Seriengeräte nicht gesteuert oder geregelt wird, sondern nur Sensordaten zur Wartung bzw. zur Ermittlung des Handwerkzeugmaschinengerätezustands erfasst wird.
-
Der trainierte Klassifizierungsalgorithmus kann auf dem externen Gerät 92, wie beispielsweise einem externen Server oder einer Cloud, oder auf der Handwerkzeugmaschine bzw. dem Seriengerät selbst eingesetzt werden. Insbesondere in der Anwendungsphase ist eine Übertragung an ein externes Gerät 92 wie eine Cloud vorteilhaft, um in Datenbanken die Zustände einer Vielzahl an Geräten zu überwachen und gegebenenfalls Maßnahmen, wie beispielsweise eine Wartung oder eine Reparatur einzuleiten. Zusätzlich kann über die erfassten Daten der Vielzahl an Geräten auch der Klassifizierungsalgorithmus weitere verbessert werden.
-
In 5 eine Bewertung der Qualität der Klassifizierungsalgorithmen zur Überprüfung der Güte des Algorithmus gezeigt. Auf der vertikalen Achse sind dabei die tatsächlichen Handwerkzeugmaschinengerätezustände aufgetragen, und in der horizontalen Achse sind die von dem Klassifizierungsalgorithmus zugeordneten Handwerkzeugmaschinengerätezustände aufgetragen. Beispielhaft wurden 196 von 200 neuen Handwerkzeugmaschinen korrekt vom Klassifizierungsalgorithmus als neu identifiziert. Von 91 defekten Handwerkzeugmaschinen wurden lediglich 2 von dem Klassifizierungsalgorithmus als nicht defekt, sondern kritisch identifiziert.
-
In 6 ist ein Schnitt durch eine Handwerkzeugmaschine 10a gezeigt, die im Wesentlichen den Aufbau der Handwerkzeugmaschine 10 gemäß 1 aufweist. Die Handwerkzeugmaschine 10a ist als ein Handelsgerät 96a ausgebildet, dass für den Verkauf und für die Benutzung durch den Anwender vorgesehen ist. Die Handwerkzeugmaschine 10a weist insbesondere eine reduzierte Anzahl an Sensoren 44a auf. Sämtliche Sensoren 44a sind dabei für den Betrieb der Handwerkzeugmaschine 10a und ihren Funktionen erforderlich.
-
Falls eine Diagnose der Handwerkzeugmaschine 10a erforderlich ist, kann diese beispielhaft über bereitgestellte Sensordaten der Sensoren 44a innerhalb der Handwerkzeugmaschine 10a erfolgen. Alternativ ist auch denkbar, dass ein externer Sensor 98a eines externen Geräts 92a, Sensordaten erfasst. Der externe Sensor 98a ist beispielhaft als ein Mikrophon eines Smartphones ausgebildet. Die erfassten Sensordaten können dann mittels des trainierten Klassifizierungsalgorithmus zur Ermittlung des Handwerkzeugmaschinengerätezustands eingesetzt werden. Die Ermittlung des Handwerkzeugmaschinengerätezustands kann auf dem als Smartphone ausgebildeten externen Gerät 92a oder auf einem weiteren externen Gerät 92a, das beispielsweise als eine Cloud ausgebildet ist, erfolgen.
-
In 7 ist ein Schnitt durch eine weitere Handwerkzeugmaschine 10b gezeigt, die als ein alternatives Handelsgerät 96b ausgebildet ist. Die Handwerkzeugmaschine 10b weist im Unterschied zu der Handwerkzeugmaschine 10a einen zusätzlichen Sensor 45b im Bereich der Schlagwerkeinheit 24b auf. Der Sensor 45b ist als ein Temperatursensor 48b ausgebildet. Die Position bzw. Anordnung des zusätzlichen Sensors 45b wurde mit Hilfe des trainierten Klassifizierungsalgorithmus ermittelt. Der Sensor 45b ist einer Handwerkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung 99b zugeordnet, wobei die Sensordaten dieser bereitgestellt werden. Die Handwerkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung 99b ist der Elektronik 40b der Handwerkzeugmaschine 10b zugeordnet und umfasst die trainierten Klassifizierungsalgorithmen. Basierend auf den erfassten Sensordaten, insbesondere von den Sensoren 44b und dem zusätzlichen Sensor 45b, ermittelt die Handwerkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung 99b den Handwerkzeugmaschinengerätezustand. Der Handwerkzeugmaschinengerätezustand kann dem Benutzer über ein nicht näher dargestelltes HMI bzw. einen Bildschirm bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Handwerkzeugmaschinenzustand dem externen Gerät 92b bereitgestellt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
