DE10361225A1 - Drehende Elektrohandwerkzeugmaschine und Sicherheitsroutine - Google Patents

Abstract

Eine Elektrohandwerkzeugmaschine (1) zum zumindest teilweise drehenden Antrieb eines Werkzeugs (3) mit einem handgeführten Gehäuse (2), einem antreibenden, über eine Drehzahlregelung (4) drehzahlgeregelten Elektromotor (5) und mit einer Werkzeugblockierungen detektierenden Sicherheitsroutine eines Sicherheitsmoduls (7), welches zumindest eingangsseitig mit einem Bewegungssensor (8) zur Bestimmung einer Bewegung des Gehäuses (2) sowie zumindest ausgangsseitig mit einem Sicherheitsaktuator signalübertragend verbunden ist, das den Werkzeugantrieb bei einem Sicherheitsereignis beendet, welches durch ein mit der Sicherheitsroutine bestimmtes sowie einen Schwellwert (S) überschreitendes Argument bestimmt ist, wobei das Sicherheitsmodul (7) eingangsseitig mit der Drehzahlregelung (4) signalübertragend verbunden ist und der Schwellwert (7) von der Drehzahlregelung (4) abhängig änderbar ist. Im zugeordneten Regelverfahren für die Sicherheitsroutine wird in einem ersten Schritt von der Drehzahlregelung (4) ein Leistungsanstieg detektiert und in einem zweiten Schritt von einem implantierten Algorithmus (15) der Sicherheitsroutine der Schwellwert (S) erhöht bzw. umgekehrt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsroutine und eine zugeordnete drehende Elektrohandwerkzeugmaschine, insbesondere eine Bohrmaschine, einen Bohrhammer oder einen Kombihammer.
• Bei grossen und leistungsstarken drehenden Elektrohandwerkzeugmaschinen besteht die Gefahr der Verletzung des Nutzers durch Verdrehungen des Gehäuses durch plötzliche Werkzeugblockierungen als Folge der in Elektrohandwerkzeugmaschinen gespeicherten kinetischen Energie.
• Üblicherweise wird der diese Verdrehung durch die Blockierung erzeugende plötzliche hohe Drehimpuls durch Rutsch- oder Sicherheitskupplungen vom blockierten Werkzeug getrennt oder bezüglich des Drehmomentes begrenzt. Die Trennung erfolgt jedoch oftmals verspätet, so dass durch die bereits auf das Gehäuse der Elektrohandwerkzeugmaschine übertragene Rotationsenergie und ein nicht unerhebliches Restdrehmoment eine Auslenkung des Gehäuses nicht mehr verhindert werden kann.
• Aus der DE 3128410 A1 ist die Messung des auf das Gehäuse wirkenden Drehmoments über den die Elektrohandwerkzeugmaschine führenden Handgriff bekannt. Über die analoge Integration eines dem Drehmoment proportionalen Signals als Argument wird bei Überschreitung eines Schwellwertes eine Sicherheitseinrichtung zur Vermeidung eines Werkzeugblockierens, Klemmens und Würgens aktiviert. Nachteilig ist die zum Aufbau der Gegenkraft am Handgriff notwendige Führung der Elektrohandwerkzeugmaschine durch den Nutzer.
• Nach der DE 4334933 A1 ist die Messung der Beschleunigungen des Gehäuses der Elektrohandwerkzeugmaschine bekannt, wobei deren Fluktuationen als Argument zur Detektierung eines sicherheitsrelevanten Ereignisses verwendet werden. Dabei wird zur besseren Absicherung des Ereignisses eine mit dem Antriebszustand der Elektrohandwerkzeugmaschine korrelierte, weitere Messgrösse wie die Stromstärke des antreibenden Elektromotors verwendet. Aus den verschiedenen Parametern werden über eine integrierte Wissensbasis verschiedene, relevante Ereignisse von nichtrelevanten Ereignissen selektiert.
• Aus der EP 666148 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung grosser Verdrehwinkel von Elektrohandwerkzeugmaschinen bekannt, welche mit einem Mikrocontroller den in einem zukünftigen Zeitpunkt zu erwartenden Verdrehwinkel des Gehäuses aus der aktuellen Winkelbeschleunigung des Gehäuses im voraus als Argument berechnet und bei Überschreiten eines Schwellwertes eine Sicherheitseinrichtung zur Vermeidung dieser Überschreitung aktiviert. Dabei ist der Schwellwert unabhängig von Betriebsparametern der Elektrohandwerkzeugmaschine stets konstant.
• Nach der DE 19641618 A1 wird aus mehreren Bewegungsgrössen des Gehäuses der Elektrohandwerkzeugmaschine mit einer Fuzzy-Schaltung unscharf auf ein sicherheitsrelevantes Ereignis geschlossen. Betriebsparameter der Elektrohandwerkzeugmaschine selbst gehen dabei nicht in die Selektion sicherheitsrelevanter Ereignisse ein.
• Nach der DE 4334933 A1 ist die Messung der Beschleunigungen des Gehäuses der Elektrohandwerkzeugmaschine bekannt, wobei deren Fluktuationen zur Detektierung eines sicherheitsrelevanten Ereignisses verwendet werden. Dabei wird zur besseren Absicherung des Ereignisses eine mit dem Antriebszustand der Elektrohandwerkzeugmaschine korrelierte, weitere Messgrösse wie die Stromstärke des antreibenden Elektromotors verwendet. Aus den verschiedenen Parametern werden über eine integrierte Wissensbasis verschiedene, relevante Ereignisse von nichtrelevanten Ereignissen selektiert. Die Stromstärke als weitere unabhängige, jedoch willkürlich ausgewählte Messgrösse zur Änderung des Schwellwertes zur Selektion des sicherheitsrelevanten Ereignisses ist mit der Motorleistung und somit mit dem Drehmoment streng korreliert, welches der Nutzer bei der Führung der Elektrohandwerkzeugmaschine spürt. Mit derartigen zeitlich quasi konstanten Parametern, bei welchen beim Nutzer mit der Zeit ein Gewöhnungseffekt eintritt, kann nicht mit hinreichender Signifikanz auf ein sicherheitsrelevantes Ereignis geschlossen werden.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht bei einer drehenden Elektrohandwerkzeugmaschine mit einer Werkzeugblockierungen detektierenden Sicherheitsroutine eines Sicherheitsmoduls in der Erhöhung der Signifikanz bei der Selektion sicherheitsrelevanter Ereignisse.
• Die Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• So weist eine drehende Elektrohandwerkzeugmaschine mit einem handgeführten Gehäuse und einem, ein Werkzeug antreibenden, über eine Drehzahlregelung drehzahlgeregelten Elektromotor eine Werkzeugblockierungen detektierende Sicherheitsroutine eines Sicherheitsmoduls auf, welches zumindest eingangsseitig mit einem Bewegungssensor zur Bestimmung einer Bewegung des Gehäuses sowie zumindest ausgangsseitig mit einem Sicherheitsaktuator signalübertragend verbunden ist. Der Sicherheitsaktuator beendet den Werkzeugantrieb bei einem Sicherheitsereignis, welches durch ein mit der Sicherheitsroutine bestimmtes sowie einen Schwellwert überschreitendes Argument bestimmt ist. Das Sicherheitsmodul ist eingangsseitig mit der Drehzahlregelung signalübertragend verbunden und der Schwellwert ist von der Drehzahlregelung abhängig änderbar.
• Im zugeordneten Regelverfahren der Sicherheitsroutine des Sicherheitsmoduls wird mittels eines implantierten Algorithmus der Schwellwert erhöht, nachdem die Drehzahlregelung einen Leistungsanstieg detektiert hat und erniedrigt, nachdem die Drehzahlregelung einen Leistungsabfall detektiert hat.
• Indem das Sicherheitsmodul eingangsseitig mit der Drehzahlregelung signalübertragend verbunden und deren Schwellwert von dem implantierten Algorithmus der Sicherheitsroutine abhängig von der Drehzahlregelung gleichsinnig zur Änderung der Leistungsaufnahme geändert wird, wird bei der Selektion sicherheitsrelevanter Ereignisse direkt auf die intuitive Führung der Elektrohandwerkzeugmaschine durch den Nutzer abgestellt, dessen sicherheitsrelevante Steueraktionen und Führungsreaktionen stets mit einer Änderung der Leistungsaufnahme korreliert sind.
• Vorteilhaft ist das Sicherheitsmodul direkt mit der, auf einen im Stromzweig des Elektromotors steuerbar angeordneten Stromsteller einwirkenden, Regelgrösse der Drehzahlregelung verbunden, wodurch der implantierte Algorithmus einfach proportional zu dieser Regelgrösse den Schwellwert ändern kann.
• Die Ursache dafür ist folgende: Wird das Werkzeug vom Werkstück stärker gebremst, wird auch der Leistungsbedarf des antreibenden Elektromotors höher, der über die Drehzahlregelung geregelt gerade einen derartigen Motorstrom bezieht, um bei der bisherigen Belastung mit einer durch den Motorschalter vorgegebenen Solldrehzahl zu drehen. Da diese Belastung jedoch plötzlich höher geworden ist, würde der Elektromotor seine Drehzahl verringern, dem die Drehzahlregelung mit ihrer Regelgrösse entgegenwirkt. Im umgekehrten Fall ist dies entsprechend umgekehrt. Somit ist die Regelgrösse der Drehzahlregelung ein Mass für die Änderung der Leistungsaufnahme des Elektromotors.
• Vorteilhaft ist der Sicherheitsaktuator eine im Kraftfluss zwischen dem antreibenden Elektromotor und dem Werkzeug angeordnete, elektrisch steuerbare Kupplung, weiter vorteilhaft eine Magnetkupplung, wodurch im Sicherheitsereignisfall der träge auslaufende Elektromotor vom Werkzeug entkoppelbar ist.
• Alternativ vorteilhaft ist der Sicherheitsaktuator eine den antreibenden, selbst im Sicherheitsereignisfall weiterhin drehfest mit dem Werkzeug verbundenen, Elektromotor in Bruchteilen einer Sekunde bis zum Stillstand aktiv abbremsende Motorsteuerung, wodurch eine Kupplung entbehrlich ist.
• Vorteilhaft wird von der Sicherheitsroutine der in einem zukünftigen Zeitpunkt zu erwartenden Verdrehwinkel des Gehäuses aus der mit dem Bewegungssensor gemessenen aktuellen Winkelbeschleunigung des Gehäuses im voraus berechnet, wie dies im Einzelnen aus der EP 666148 B1 bekannt ist, auf welche der Fachmann bezüglich weiterer diesbezüglicher Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, wodurch mit dem Schwellwert ein Argument verglichen wird, welches zuvor über ein bereits praxiserprobtes Verfahren ermittelt wurde.
• Die Erfindung wird anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:
• 1 als Elektrohandwerkzeugmaschine
• 2 als Variante
• Nach 1 weist eine drehende Elektrohandwerkzeugmaschine 1 ein handgeführtes Gehäuse 2 und einen, ein Werkzeug 3 um eine Achse A drehend antreibenden, über eine Drehzahlregelung 4 drehzahlgeregelten Elektromotor 5 in Form eines mit Netzfrequenz gespeisten Universalmotors mit einem Kommutator 6 auf, wobei die Regelung herausgelöst dargestellt ist. Eine Werkzeugblockierungen detektierende Sicherheitsroutine 17 ist in einem als Mikrocontroller ausgebildeten Sicherheitsmodul 7 implantiert, welches signalübertragend eingangsseitig mit einem axial beabstandeten, eine axiale Winkelbeschleunigung α messenden, Bewegungssensor 8 zur Bestimmung einer Drehbewegung φ des Gehäuses 2 sowie ausgangsseitig mit einem Sicherheitsaktuator verbunden ist, der im Sicherheitsereignisfall von einem Ereignissignal ϴ angesteuert wird und als eine im Kraftfluss zwischen dem antreibenden Elektromotor 5 und dem Werkzeug 3 angeordnete, elektrisch steuerbare Magnetkupplung 9 ausgebildet ist. Das Sicherheitsmodul 7 ist eingangsseitig direkt mit der, auf einen im Stromzweig 10 des Elektromotors 5 steuerbar angeordneten Stromsteller 11 in Form einer Phasenanschnittsteuerung einwirkenden, Regelgrösse x der Drehzahlregelung 4 signalübertragend verbunden. Die Drehzahlregelung 4 selbst ist mit einem eine Solldrehzahl N vorgebenden Motorschalter 12 und mit einem die Istdrehzahl n messenden, berührungslosen Drehzahlsensor 13 verbunden. In der im Sicherheitsmodul 7 programmgesteuerten, entsprechend des funktionellen Programmablaufs dargestellten, Sicherheitsroutine wird mittels eines implantierten Algorithmus 15 der Schwellwert S stückweise proportional zum mit der Leistungsänderung ΔP korrelierten Regelgrösse x geändert und dieser in einem Vergleicher 16 mit einem zukünftig zu erwartenden Verdrehwinkel φ^ verglichen, der entsprechend eines im Einzelnen aus der EP 666148 B1 vorbekannten Verfahrens zuvor in einem Vorhersagealgorithmus 17 aus der Winkelbeschleunigung α berechnet wurde.
• Nach 2 ist bei einer nur teilweise dargestellten Variante im Unterschied zur 1 der Sicherheitsaktuator als eine im Stromzweig 10 des Elektromotors 5 steuerbar angeordnete, die Netzfrequenz hochfrequent umwandelnde Motorsteuerung 14 ausgebildet, welche selbst von dem berührungslosen Drehzahlsensor 13, der Regelgrösse x und dem Ereignissignal ϴ gesteuert wird. Die Motorsteuerung 14 bremst im Sicherheitsereignisfall den weiterhin drehfest mit dem Werkzeug 3 verbundenen Elektromotor 5 in Form eines bürstenlosen Reluktance-Motors in Bruchteilen einer Sekunde aktiv ab.

Claims (7)

1. Elektrohandwerkzeugmaschine zum zumindest teilweise drehenden Antrieb eines Werkzeugs (3) mit einem handgeführten Gehäuse (2), einem antreibenden, über eine Drehzahlregelung (4) drehzahlgeregelten, Elektromotor (5) und mit einer Werkzeugblockierungen detektierenden Sicherheitsroutine eines Sicherheitsmoduls (7), welches zumindest eingangsseitig mit einem Bewegungssensor (8) zur Bestimmung einer Bewegung des Gehäuses (2) sowie zumindest ausgangsseitig mit einem Sicherheitsaktuator signalübertragend verbunden ist, das den Werkzeugantrieb bei einem Sicherheitsereignis beendet, welches durch ein mit der Sicherheitsroutine bestimmtes sowie einen Schwellwert (S) überschreitendes Argument bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsmodul (7) eingangsseitig mit der Drehzahlregelung (4) signalübertragend verbunden ist, und dass der Schwellwert (7) von der Drehzahlregelung (4) abhängig änderbar ist.
2. Elektrohandwerkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsmodul (7) direkt mit einer, auf einen im Stromzweig (10) des Elektromotors (5) steuerbar angeordneten Stromsteller (11) einwirkenden, Regelgrösse (x) der Drehzahlregelung (4) verbunden ist.
3. Elektrohandwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsaktuator eine im Kraftfluss zwischen dem antreibenden Elektromotor (5) und dem Werkzeug (3) angeordnete, elektrisch steuerbare Kupplung ist.
4. Elektrohandwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsaktuator eine den antreibenden, selbst im Sicherheitsereignisfall weiterhin drehfest mit dem Werkzeug (3) verbundenen, Elektromotor (5) in Bruchteilen einer Sekunde bis zum Stillstand aktiv abbremsende Motorsteuerung (14) ist.
5. Regelverfahren für eine Sicherheitsroutine des Sicherheitsmoduls (7) einer Elektrohandwerkzeugmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt von der Drehzahlregelung (4) ein Leistungsanstieg detektiert wird und in einem zweiten Schritt von einem implantierten Algorithmus (15) der Sicherheitsroutine der Schwellwert (S) erhöht wird.
6. Regelverfahren für eine Sicherheitsroutine des Sicherheitsmoduls (7) einer Elektrohandwerkzeugmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt von der Drehzahlregelung (4) ein Leistungsabfall detektiert wird und in einem zweiten Schritt von einem implantierten Algorithmus (15) der Sicherheitsroutine der Schwellwert (S) erniedrigt wird.
7. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Sicherheitsroutine als Argument der in einem zukünftigen Zeitpunkt zu erwartenden Verdrehwinkel (Φ^) des Gehäuses (2) aus der mit dem Bewegungssensor (8) gemessenen aktuellen Winkelbeschleunigung (α) des Gehäuses (2) im voraus berechnet wird.