DE112018003442T5

DE112018003442T5 - Kraftbetriebenes Drehwerkzeug mit Borsten

Info

Publication number: DE112018003442T5
Application number: DE112018003442.9T
Authority: DE
Inventors: Robert J. Stango
Original assignee: Marquette University
Current assignee: Marquette University
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2020-04-16
Also published as: WO2019010276A1; US10925386B2; US20190008269A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks. Ein Motor ist ausgelegt zum Erzeugen einer Drehkraft. Eine Antriebsscheibe ist betriebswirksam mit dem Motor gekoppelt, so dass die durch den Motor erzeugte Drehkraft eine Drehung der Antriebsscheibe bewirkt. Ein Band ist betriebswirksam mit der Antriebsscheibe gekoppelt, so dass eine Drehung der Antriebsscheibe eine Drehung des Bands bewirkt. Eine zweite Scheibe ist auch betriebswirksam mit dem Band gekoppelt, so dass eine Drehung des Bands eine Drehung der zweiten Scheibe bewirkt. Borsten sind an das Band gekoppelt und erstrecken sich von dem Band weg. Die von dem Motor erzeugte Drehkraft bewirkt, dass sich die mehreren Borsten relativ zum Motor bewegen. Die Oberfläche des Werkstücks wird bearbeitet, wenn die Borsten die Oberfläche kontaktieren, während sich die Borsten bewegen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/528,625 , eingereicht am 5. Juli 2017, welche hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein kraftbetriebene Borstenband-Drehwerkzeuge und insbesondere trägheitsaktivierte kraftbetriebene Borstenband-Drehwerkzeuge mit verbesserter Leistungsfähigkeit.
STAND DER TECHNIK
Der Stand der Technik und die Kurzfassung werden bereitgestellt, um eine Grundlage und Auswahl von Konzepten einzuführen, die nachstehend weiter in der ausführlichen Beschreibung beschrieben wird. Der Stand der Technik und die Kurzfassung sind nicht dafür beabsichtigt Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des potentiell beanspruchten Erfindungsgegenstands zu identifizieren, noch wird beabsichtigt, dass sie als eine Hilfestellung bei der Begrenzung des Schutzumfangs des potentiell beanspruchten Erfindungsgegenstands verwendet werden.
Die Konstruktion eines typischen kontinuierlichen Borstenbands ist in 1A gezeigt, welche aus einem flexiblen Band 50 mit mehreren Borsten 60 besteht, die entlang der Länge des Bands 50 ausgebildet, ausgeformt oder anderweitig daran befestigt sind. Die Borsten 60 weisen eine Länge 66 auf, die sich zwischen einem Verankerungsende 62, das mit dem Band 50 gekoppelt ist, und einer Borstenspitze 64 erstreckt. Die Borstenspitzen 64 sind häufig vorwärts gebogen und angeschärft. Gewisse kraftbetriebene Bürstwerkzeuge werden durch Wickeln des Bands 50 um eine Welle 36 herum, wie in 1B gezeigt ist, oder durch Anbringen eines geschlossenen Bands 50 um einen kreisförmigen Wickelkern 38 herum, wie in 2A-2C gezeigt, hergestellt.
Danach wird die Welle 36 oder der Wickelkern 38 in der Drehrichtung R gedreht und die Arbeitsoberfläche des Bands 50 (das heißt die Borstenspitzen 64 der Borsten 60) wird unmittelbar auf eine Zieloberfläche 4 des Werkstücks 2 angesetzt, wie in 3 gezeigt ist. Typischerweise werden diese existierenden Vorrichtungen 6 zum Reinigen, Texturieren oder anderweitigen Modifizieren von Oberflächen verwendet und können beispielsweise Zunderentfernung, Oberflächenvorbereitung, Verfestigung und/oder ästhetischen Wert beinhalten.
Die besondere geometrische Ausgestaltung und Zusammensetzung dieser existierenden Vorrichtungen 6 ist eine direkte Konsequenz der einzelnen Materialbestandteile, nämlich der Gestalt, der Geometrie und der Zusammensetzung der Borsten 60 sowie der Zusammensetzung der Materialien des Bands 50, an welchem die Borsten 60 angebracht sind. Diese festen Wahlen für Werkzeugzusammensetzung in Zusammenwirkung mit der Drehzahl und Kraft und Eindringen, die auf die Werkstückoberfläche ausgeübt werden, charakterisieren letztlich die Leistungsfähigkeit des Drehwerkzeugs während des Betriebs.
Eine besondere Vorrichtung wurde entwickelt, um die Leistungsfähigkeit des Borstenband-Drehwerkzeugs zu verbessern, indem das dynamische Verhalten der Borsten 60 während der Drehung abgeändert wird. Insbesondere involviert die in der Patentanmeldung EP1834733 offenbarte Vorrichtung die Verwendung eines Hindernisses, oder „Stoppelements“ 7, das, wenn es in dem Weg aufkommender Borsten 60 platziert wird, zeitweiliges Rückziehen oder Rückhalten der Borstenspitzen 64 verursacht (siehe 4). Bei Freigabe von dem Stoppelement 7 bewegen sich die Borstenspitzen 64 schnell vorwärts, wobei sie das Werkstück 2 mit erhöhter Geschwindigkeit treffen. Man sagt, dass dies die Aufschlagkraft erhöht, die durch die Vorrichtung während des Betriebs erzeugt wird. Die Sauberkeit und Oberflächentextur, die durch diese Vorrichtung erzeugt wird, soll es mit der Oberflächenqualität, die durch umweltbelastende Kiesstrahlprozesse erzeugt wird, aufnehmen.
KURZDARSTELLUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks. Die Vorrichtung weist einen Motor, der ausgelegt ist zum Erzeugen einer Drehkraft, und eine Antriebsscheibe, die betriebswirksam mit dem Motor gekoppelt ist, so dass die durch den Motor erzeugte Drehkraft eine Drehung der Antriebsscheibe verursacht, auf. Ein Band mit einer Außenseite und einer Innenseite ist betriebswirksam entlang der Innenseite mit der Antriebsscheibe gekoppelt, so dass eine Drehung der Antriebsscheibe eine Drehung des Bands verursacht. Eine zweite Scheibe ist auch betriebswirksam mit der Innenseite des Bands gekoppelt, so dass eine Drehung des Bands eine Drehung der zweiten Scheibe bewirkt. Mehrere Borsten weisen jeweils ein Verankerungsende und eine dem Verankerungsende entgegengesetzte Borstenspitze auf. Jedes Verankerungsende ist mit dem Band gekoppelt und jede Borste erstreckt sich von dem Band weg. Die von dem Motor erzeugte Drehkraft bewirkt, dass sich die mehreren Borsten relativ zum Motor bewegen. Die Oberfläche des Werkstücks wird bearbeitet, wenn die mehreren Borsten die Oberfläche kontaktieren, während sich die mehreren Borsten bewegen.
Eine andere Ausführungsform betrifft allgemein ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks. Das Verfahren umfasst das Erzeugen einer Drehkraft mit einem Motor und Koppeln einer Antriebsscheibe an den Motor, so dass die durch den Motor erzeugte Drehkraft die Antriebsscheibe dreht. Das Verfahren beinhaltet ein Koppeln eines Bands an die Antriebsscheibe, wobei das Band eine Außenseite und eine Innenseite aufweist, wobei sich die Innenseite in Kontakt mit der Antriebsscheibe befindet und wobei ein Drehen der Antriebsscheibe das Band dreht. Das Verfahren beinhaltet ein Koppeln einer zweiten Scheibe an das Band, wobei sich die Innenseite in Kontakt mit der zweiten Scheibe befindet und wobei ein Drehen des Bands die zweite Scheibe dreht. Das Verfahren beinhaltet ein Koppeln mehrerer Borsten an das Band, wobei jede Borste unter den mehreren Borsten ein Verankerungsende und eine dem Verankerungsende entgegengesetzte Borstenspitze aufweist. Jedes Verankerungsende ist mit der Außenseite des Bands gekoppelt und jede Borste unter den mehreren Borsten erstreckt sich von dem Band weg. Ein Drehen des Bands bewirkt, dass sich die mehreren Borsten relativ zum Motor bewegen. Die Oberfläche des Werkstücks wird durch Kontaktieren der Oberfläche mit den mehreren Borsten bearbeitet, während sich die mehreren Borsten bewegen.
Verschiedene andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Offenbarung werden anhand der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste
Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen zum Ausführen der Offenbarung. Dieselben Bezugszahlen werden über die Zeichnungen hinweg verwendet, um gleiche Merkmale und gleiche Komponenten zu referenzieren. In den Zeichnungen gilt:

1A-1B stellen isometrische Ansichten eines Anteils eines Borstenbands und eine unter Verwendung eines solchen Borstenbands erzeugte Bürste dar, wie im Stand der Technik bekannt ist;
2A-2C stellen ein geschlossenes Borstenband und nachfolgendes Anbringen an einer Wickelrolle sowie eine Vergrößerung der Borstenspitzen dar, wie im Stand der Technik bekannt ist;
3 ist eine isometrische Ansicht einer existierenden Vorrichtung, die ein Borstenband wie das in 2B gezeigte, im Stand der Technik bekannte einschließt;
4 ist eine Nahansicht-Hochgeschwindigkeitsdarstellung der in Patentanmeldung EP 1834733 offenbarten Borstenbandvorrichtung, die ein Stoppelement einschließt;
5 ist eine schematische Ansicht, die ein beispielhaftes Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
6 ist eine Nahansicht der Aktivierungszone für die in dem in 5 dargestellten Verfahren gezeigte Vorrichtung;
7A-7B sind isometrische und Seitenansichten einer beispielhaften Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Ausführen des in 5-6 dargestellten Verfahrens; und
8-11 C sind Seitenansichten von weiteren Ausführungsformen von Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE OFFENBARUNG
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zum Offenbaren von Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung, einschließlich des besten Modus, und auch, um jegliche Fachperson zu befähigen, dieselbe auszuüben oder vorzunehmen und zu verwenden. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die potentiellen Ansprüche definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die dem Fachmann erscheinen. Solche anderen Beispiele sind dafür gedacht, innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche zu liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der buchstäblichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von der buchstäblichen Sprache der Ansprüche aufweisen.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt die Vorrichtung und die Funktion eines einzigartigen kraftbetriebenen Werkzeugs, das die dynamischen Eigenschaften von existierender Borstenband-Technologie nutzt. Es stellt einen alternativen Ansatz zum Beschleunigen der Drahtborstenspitzen bereit, der keine Platzierung/Kollision eines Hindernisses in dem direkten Weg der Borstendrehbewegung erfordern würde.
Die vorliegend offenbarten Verfahren und Vorrichtungen 10 werden am besten mittels einer kurzen Einführung in das in 7A-7B bereitgestellte Ausführungsbeispiel verständlich. Die Vorrichtung 10 weist einen Motor 20 auf, der ausgestaltet ist zum Erzeugen einer Drehkraft in der Drehrichtung R auf dieselbe Weise, wie sie mit den zuvor erörterten existierenden Vorrichtungen 6 bereitgestellt wurde. Die beispielhafte Vorrichtung 10 kann einen Vordergriff 14 und einen Hintergriff 16, welcher ferner einen Auslöser 18 oder eine andere Betätigungsvorrichtung zum Steuern des Betriebs des Motors 20 einschließen kann, einschließen. Bei gewissen Ausführungsformen ist auch ein Schutzschild 19 vorgesehen. Es versteht sich, dass alternative Ausgestaltungen zum Sichern und Betätigen der Vorrichtung 10 auch durch die vorliegende Offenbarung vorweggenommen sind, einschließlich Vorrichtungen 10, die in robotische und/oder Automationssysteme integriert sind.
Im Gegensatz zu existierenden, zurzeit im Stand der Technik bekannten und oben erläuterten Vorrichtungen 6 folgen die Borsten 60 der vorliegend offenbarten Vorrichtung 10 jedoch keinem kreisförmigen Bandpfad BP um den Motor 20 herum. Stattdessen ist eine Antriebsscheibe 30 betriebswirksam mit dem Motor 20 gekoppelt, so dass die durch den Motor 20 erzeugte Drehkraft eine Drehung der Antriebsscheibe 30 verursacht. Die Vorrichtung 10 weist ferner eine zweite Scheibe 40 auf, die im Vergleich zu der Antriebsscheibe 30 gegenüber dem Motor 20 distal lokalisiert ist. Ein Band 50, das in gewissen Ausführungsformen existierende, im Stand der Technik bekannte Bandtechnologie einsetzt, ist betriebswirksam zwischen die Antriebsscheibe 30 und die zweite Scheibe 40 gekoppelt. Das Band 50 weist eine Außenseite 52 und eine Innenseite 54 auf, wobei die Antriebsscheibe 30 und die zweite Scheibe 40 an dem Band 50 an dessen Innenseite 54 angreifen. Auf diese Weise bewirkt eine Drehung des Bands 50 durch die Antriebsscheibe 30 auch eine Drehung der zweiten Scheibe 40.
Es versteht sich, dass der Begriff „Scheibe“ in der vorliegenden Offenbarung weit gefasst sein soll, um auch Rollen und jegliche andere Führungs- und/oder Richtungselemente einzuschließen, die den Bandpfad BP definieren, sei es drehend oder stationär. Obgleich die Borsten 60 in den Figuren als einen rechteckigen Querschnitt aufweisend gezeigt sind, werden gleichermaßen alle Formen von Borsten 60 durch die vorliegende Offenbarung vorweggenommen (beispielsweise einschließlich kreisförmig).
Mehrere Borsten 60 weisen jeweils ein Verankerungsende 62, das mit dem Band 50 gekoppelt ist, sowie eine dem Verankerungsende 62 entgegengesetzte Borstenspitze 64, die sich von dem Band 50 weg erstreckt, auf. Folglich bewirkt die durch den Motor 20 erzeugte Drehkraft, dass sich die Borsten 60 relativ zu dem Motor 20 entlang des nicht kreisförmigen Bandpfads BP bewegen. Die Oberfläche 4 des Werkstücks 2 wird durch Platzieren der Borstenspitzen 64 in Kontakt mit der Oberfläche 4, während sich die Borsten 60 in Bewegung befinden, bearbeitet.
Wie offensichtlich werden wird, liefern die vorliegend offenbarten Vorrichtungen 10 und Verfahren einen neuartigen Ansatz zum Erhöhen der Geschwindigkeit der Borstenspitzen 64 vor dem Aufschlag auf die Zieloberfläche 4. Das Konzept und die Implementation dieser Vorrichtungen 10 und der Verfahren basieren auf den Trägheitseigenschaften der Borsten 60 und der Zentrifugalkräfte, die durch absichtliches und abruptes Ändern der Richtung der Bewegung der Borsten 60 erzeugt werden. Der Mechanismus zum Ändern der Bewegung der Borsten 60 wird unter Verwendung von zwei oder mehr Scheibenantriebsausgestaltungen zum Kraftbetreiben des Borstenbands erreicht, wie in 5 gezeigt ist. Das heißt, dass eine Bewegung der Borste 60 abrupt verändert wird, wenn sie um eine Scheibe (hier die zweite Scheibe 40), die einen strategisch proportionierten Radius aufweist, herumgeht. Beispielsweise ist, je kleiner der zweite Radius 42 der zweiten Scheibe 40 relativ zu dem Antriebsradius 32 der Antriebsscheibe 30 ist, die Geschwindigkeit der in Verwendung befindlichen Borstenspitze 64 umso größer. Detaillierte Bewegung und weitere Erläuterung der Borste 60 wird folgendermaßen beschrieben.
Vor Eintreten in die Region der zweiten Scheibe 40 bewegen sich die Borsten 60 mit einer vorgeschriebenen konstanten Geschwindigkeit entlang des Bandpfads BP, der zwischen den Positionen P1-P4 gezeigt und als erste Zone Z1 bezeichnet wird, auf einer geraden Linie vorwärts. Bei Erreichen der Position P5 müssen sich der Bandpfad BP des Bands 50 und die Verankerungsenden 62 der Borsten 60 nun von einem geraden Pfad auf einen gekrümmten Pfad ändern, der durch den zweiten Radius 42 der zweiten Scheibe 40 vorgeschrieben ist.
Die Bewegungsänderung der Verankerungsenden 62 an der Position P5 führt zu einem schnellen Rückzug (das heißt einer Rückwärtsbewegung) der Borstenspitze 64, wie in der zweiten Zone Z2 gezeigt ist. Diese Umkehrbewegung oder Rückwärtsbewegung der Borstenspitze 64 ist eine Folge der Trägheitsreaktionskraft der Borste 60 und setzt sich entlang des Bandpfads BP von Positionen P6-P8 fort, bis an Position P9 die maximale Rückwärtsbewegung erreicht ist. Über diese Rückzugsperiode hinweg wird sowohl in der Borste 60 (aufgrund von Verbiegung) als auch innerhalb des Bands 50 (aufgrund von Torsion) Energie gespeichert. Nachfolgend wird die gespeicherte Energie freigesetzt, wenn sich die Borstenspitze 64 beschleunigt oder zwischen den Positionen P10-P12 (dritte Zone Z3) vorwärts „umknickt“. Bei der vorliegenden Ausführungsform erreicht die Borstenspitze 64 an Position P13 eine maximale erhöhte Geschwindigkeit in der Vorwärtsrichtung. Schließlich verzögert sich die Borstenspitze 64 entlang des Bandpfads BP an Positionen P14-P16 (vierte Zone Z4), wo sich die Geschwindigkeit der Borstenspitze 64 verlangsamt, wenn sie den Bogen der zweiten Scheibe 40 verlässt.
Auf diese Weise beschreiben die vorliegend offenbarte Vorrichtung 10 und das Verfahren das Obige nutzend den zyklischen und dynamischen Prozess der trägheitsaktivierten Bewegung der Borste 60. Wie oben dargelegt, sind der Antriebsradius 32 und der zweite Radius 42 von jeweils der Antriebsscheibe 30 und der zweiten Scheibe 40 strategisch gewählt, um somit eine Verwendung der Borstenspitzen 64 zu fördern, wenn sie die maximal erhöhte Geschwindigkeit an der, oder in der Nähe von der, Position P13 erreichen. Somit ist die optimale Ausgestaltung zum Positionieren der Vorrichtung 10 während der Verwendung in 6 demonstriert, wobei die maximale Geschwindigkeit der Borstenspitze 64 innerhalb einer Aktivierungszone AZ erreicht wird. Durch Experimentieren und Entwicklung hat der vorliegende Erfinder bestimmt, dass die Aktivierungszone AZ in vielen Ausführungsformen zwischen 10 Grad und 30 Grad variiert, in Abhängigkeit von den Materialien, Abmessungen und Gestalten des Bands 50 und der Borsten 60, der Drehgeschwindigkeit, dem zweiten Radius 42 der zweiten Scheibe 40 und anderen Faktoren. In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel kontaktieren die Borsten 60 die Oberfläche 2 innerhalb der Aktivierungszone AZ, wenn der Winkel α zwischen der Mittellinie CL und der Oberfläche 2 typischerweise weniger als 45 Grad beträgt. Allerdings versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf irgendeinen bestimmten Bereich des Winkels α zwischen der Mittellinie CL und der Oberfläche 2 beschränkt ist.
Es versteht sich, dass, obgleich die Oberfläche 4 auch zu der Horizontalebene H parallel sein kann, die optimale Position oder die Aktivierungszone AZ auf dem Winkel α zwischen der Oberfläche 2 und einer Mittellinie CL basiert, die jeweils zwischen den Achsen 34, 44 der Antriebsscheibe 30 und der zweiten Scheibe 40 definiert ist. Diese Aktivierungszone AZ begründet die Region des Kontakts von Borste 60, in der die Borstenspitzen 64 maximale Geschwindigkeit aufweisen. Daher begründet diese Aktivierungszone AZ den Bereich, in welchem die Borstenspitzen 64 an der Zieloberfläche 4 angreifen, um optimale Leistungsfähigkeit und folglich optimale Implementation der offenbarten Vorrichtungen 10 und Verfahren zu ergeben.
Bei gewissen Ausführungsformen hat der vorliegende Erfinder identifiziert, dass optimale Leistungsfähigkeit eintritt, wenn sich die Vorrichtung 10, und ganz besonders die Mittellinie CL, die sich zwischen den Achsen 34, 44 der Antriebsscheibe 30 und der zweiten Scheibe 40 erstreckt, relativ zur Oberfläche 4 zwischen 10 Grad und 30 Grad liegt. Ein optimaler Bereich für eine Positionierung der Vorrichtung 10 kann auch als ein vorbestimmter Winkelbereich definiert werden, der auf dem Antriebsradius 32 und/oder dem zweiten Radius 42 basiert. Bei gewissen Ausführungsformen spannt sich der vorbestimmte Winkelbereich von einem Minimalwinkel zu einem Maximalwinkel, mit einem dazwischen definierten Idealwinkel.
Dementsprechend helfen weitere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung beim Positionieren der Vorrichtung 10 relativ zur Oberfläche 4, um diese optimale Leistungsfähigkeit zu erhalten. Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel schließt die Vorrichtung 10 ferner einen Positionierfuß 80 zum Führen der Vorrichtung 10 ein, so dass sich die Mittellinie CL unter einem Winkel α von der Oberfläche 4 befindet. Bei gewissen Ausführungsformen ist der Positionierfuß 80 einklappbar, so dass er verstaut werden kann, wenn die Vorrichtung 10 nicht in Gebrauch ist. Es versteht sich, dass der vorliegend gezeigte Positionierfuß 80 lediglich beispielhaft ist und alternative Formen aufweisen kann oder mit der Vorrichtung 10 an anderen Stellen gekoppelt sein kann.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung, die optional einen (nicht gezeigten) Positionierfuß 80 aufweist. Die Ausführungsform der 9 weist einen Winkelanzeiger 90 auf, welcher, anstatt die Vorrichtung 10 direkt zu führen, den Bediener über den Winkel α zwischen der Mittellinie CL und der Horizontalebene H informiert. Es versteht sich, dass die Oberfläche 4 des Werkstücks 2 möglicherweise nicht immer parallel zu der Horizontalebene H ist. Daher sehen weitere Ausführungsformen vor, dass sich der Winkelanzeiger 90 an Winkelversätze zwischen der Oberfläche 4 und der Horizontalebene H anpassen wird. Sobald korrigiert, ist der Winkelanzeiger 90 wieder zum Anzeigen des Winkels α zwischen der Oberfläche 4 und der Mittellinie CL der Vorrichtung 10 konfiguriert. Beispielsweise können die Ablesewerte 104 des (unten erörterten) Winkelanzeigers bei der gezeigten Ausführungsform (ein visueller Anzeiger 100) drehbar sein, um die Position der Oberfläche 4 relativ zu der Horizontalebene H zu kalibrieren.
Wie oben dargelegt, ist der in 9 gezeigte Winkelanzeiger 90 ein visueller Anzeiger 100. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der visuelle Anzeiger 100 einen gewichtsbelegten Pfeil 102 auf, der durch Schwerkraft entlang einer Skala oder einem Hintergrund von Ablesewerten 104 beweglich ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind der Minimalwinkel und der Maximalwinkel eines vorbestimmten Winkelbereichs innerhalb der Ablesewerte 104 vorgesehen. Der gezeigte visuelle Anzeiger 100 schließt auch Leitausgaben 106 ein, die durch die Position des gewichtsbelegten Pfeils 102 zeigen, wenn sich die Vorrichtung 10 unter einem optimalen Winkel α relativ zu der Oberfläche 4 befindet. Beispielsweise können die Leitausgaben 106 einen rot gefärbten Bereich von Ablesewerten 104 oder eines Hintergrunds aufweisen, wenn der gewichtsbelegte Pfeil 102 nicht zwischen den Minimalwinkel und den Maximalwinkel fällt (und/oder grün, wenn zwischen dem Minimalwinkel und dem Maximalwinkel).
Weitere Ausführungsformen von visuellen Anzeigern 100 beinhalten eine Digitalanzeige 110, wie etwa die in 10 gezeigte. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Anzeige 110 einen (nicht ausdrücklich gezeigten) eingebauten Winkelsensor auf, der auf der Anzeige gezeigt ist. Obgleich hier nicht ausdrücklich erörtert, sind Winkelsensoren im Fachgebiet bekannt, einschließlich jener, die in modernen Smartphones oder digitalen Nivelliervorrichtungen eingebaut sind.
Die Anzeige 110 von 10 weist ferner eine Leitausgabe 106 auf, um dem Benutzer anzuzeigen, ob der Winkel α zwischen der Vorrichtung 10 und der Oberfläche 4 innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs liegt. Bei der gezeigten Ausführungsform führt dies zu einer Leitausgabe 106, die anzeigt, ob der Winkel α, oder genauer die Vorrichtung 10, „hoch“, „niedrig“ oder „ideal“ ist, was innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs bedeutet.
Weitere Ausführungsformen von visuellen Anzeigern 100 werden ebenfalls von der vorliegenden Offenbarung vorweggenommen, einschließlich des Einbauens von farbigen Leuchten 112 innerhalb der Vorrichtung 10. Beispielsweise können die farbigen Lampen 112 drei vertikal ausgerichtete LEDs umfassen, die selektiv aufleuchten, abhängig davon, ob der Winkel α zwischen der Vorrichtung 10 und der Oberfläche 4 hoch, ideal oder niedrig ist. Beispielsweise würde die Mitten-LED aufleuchten, um anzuzeigen, dass sich die Vorrichtung 10 innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs befindet, die obere LED für zu hoch und die untere LED für zu niedrig.
Weitere Ausführungsformen von Winkelanzeigern 90 werden ebenfalls vorweggenommen, wie etwa ein hörbarer Anzeiger 120, der von einem Lautsprecher 122 geliefert wird. Obgleich nicht ausdrücklich gezeigt, kommuniziert eine Ausführungsform eines hörbaren Anzeigers 120 mit drahtlosen Kopfhörern, die in von dem Bediener getragenem Gehörschutz eingebaut sind. Auf diese Weise wird dem Bediener eine hörbare Anleitung in Bezug auf den Winkel α der Vorrichtung 10 gegeben. Wie zuvor erörtert, kann jeder der Winkelanzeiger 90 ferner ausgestaltet sein zum Anpassen an Differenzen zwischen der Oberfläche 4 und der Horizontalebene H, wodurch der Benutzer gegenüber dem Winkelanzeiger 90 angeben kann, wenn das Werkstück 2 derart positioniert ist, dass die Oberfläche 4 nicht zur Horizontalebene H parallel ist.
Durch Experiment und Entwicklung hat der vorliegende Erfinder demonstriert, dass die vorliegend offenbarten Vorrichtungen 10 gegenüber der Leistungsfähigkeit existierender Vorrichtungen 6 im Stand der Technik verbessert sind. Als nichtbeschränkendes Beispiel wurde gezeigt, dass die Vorrichtung 10 gut zum Entfernen von Korrosionsschichten von API-5L-Rohren funktioniert, die üblicherweise für den Transport von Erdölprodukten in der land- und seebasierten Gas- und Ölindustrie verwendet werden. Es versteht sich allerdings, dass die Vorrichtung 10 und andere gemäß der vorliegenden Offenbarung Nutzen zum Schleifen, Vorbereiten oder anderweitiger Arbeit mit Werkstücken über eine breite Vielfalt von Industrien hinweg bringen. Vorteilhafterweise beinhalten diese ferner Anwendungen, die typischerweise Kiesstrahlen erfordern, was nachstehend weiter erörtert wird.
Der vorliegende Erfinder hat erkannt, dass die Verwendung von Scheiben, wie etwa der Antriebsscheibe 40 und der zweiten Scheibe 40, gezeigt in 5-7B, zuvor im Stand der Technik nicht bekannt war oder praktiziert wurde, um trägheitsaktivierte kraftbetriebene Borstenband-Drehwerkzeuge zu schaffen. Die Ausführungsformen und die Implementation der vorliegend offenbarten Vorrichtungen 10 und Verfahren passen sich an zahlreiche Anwendungen an, einschließlich jener innerhalb des Gebiets von Oberflächenpräparationsprozessen. Beispiele innerhalb von Oberflächenpräparation beinhalten unter anderem Korrosionsentfernung, Texturspezifikation (auch als Ankerprofil bekannt), Strahlen, Verfestigen und andere Oberflächenendbearbeitungsanwendungen. Allerdings sind weiterhin zusätzliche Anwendungen, sowohl innerhalb als auch außerhalb von Oberflächenpräparation, durch die vorliegende Offenbarung vorweggenommen.
Zurzeit ist die einzige bekannte existierende Vorrichtung 6, die Verbessern der Bewegung und Geschwindigkeit der Borstenspitzen 64 vor dem Aufschlag auf die Zieloberfläche 4 betrifft, diejenige, die durch die Patentanmeldung EP1834733 beschrieben wird. Allerdings erzeugt die in Patentanmeldung EP1834733 offenbarte existierende Vorrichtung 6 Oberflächen 4, die manche der negativen Merkmalseigenschaften der Kiesstrahlprozesse besitzen. Das heißt, dass der harsche Aufschlag der Borstenspitze 64, die das Stoppelement 7 kontaktiert, unmittelbar von Rückschlag oder Rückzug gefolgt wird, was kraterähnliche Unzulänglichkeiten auf Oberflächen 4 erzeugt, die jene emulieren, die durch Kiesstrahlprozesse erzeugt werden.
Daher hat der vorliegende Erfinder zusätzlich zu den zuvor beschriebenen einige Vorteile der vorliegend offenbarten Vorrichtung 10 gegenüber den in der Patentanmeldung EP1834733 beschriebenen existierenden Vorrichtungen 6 erkannt. Erstens weist das Vorder- oder Arbeitsende der Vorrichtung 10 (der zweiten Scheibe 40 am nächsten) ein viel kleineres Profil als existierende im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen 6 auf. Dies erlaubt Zugang in enge Durchgänge und verbessert die Manövrierbarkeit darin. Beispielsweise ermöglicht dies, dass die vorliegend offenbarte Vorrichtung 10 innerhalb des Innern von Rohrdurchmessern, die Oberflächenpräparation erfordern, verwendet wird. Zweitens ermöglicht ein Einbauen eines Bands 50 zwischen der Antriebsscheibe 30 und der zweiten Scheibe 40, ganz einfach durch Umschreiben eines direktangetriebenen Wickelkerns 38 oder einer mit dem Motor 20 gekoppelten Welle 36, ein wesentlich längeres Band 50. Bei der Ausführungsform von 7A ist das Band 50 ungefähr dreimal länger als jene auf im Stand der Technik bekannten Kernen 38 oder Wellen 36. Daraus folgt, dass die Lebensdauer des Bands 50 der vorliegenden Vorrichtung 10 diejenige der Bänder 50 der existierenden Vorrichtungen 6 um den Faktor 3 übersteigen würde, was mit der Zeit teure Wechsel und zusätzlichen Lagerbestand vermeidet. Gleichermaßen verlängert das Fehlen eines „Hindernisses“ oder eines Stoppelements 7 in der vorliegenden Vorrichtung 10 die Lebensdauern von sowohl den Borsten 60 als auch des Bands 50, ebenso wie die Leistung des Pneumatik-/Elektromotors, da sie nicht durch unnötigen wiederholten Kontakt beeinträchtigt oder beansprucht werden. Darüber hinaus liefert die vorliegende Vorrichtung 10 gegenüber den im Stand der Technik bekannten existierenden Vorrichtungen 6 eine Verringerung an Vibrationen und Lärm. Dies ist wiederum ferner von Vorteil für die Lebensdauer der Vorrichtung 10 sowie sowohl für die Sicherheit als auch das Erlebnis des Bedieners.
11A-11C demonstrieren ferner Ausführungsformen von Vorrichtungen 10 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Als eine Vergleichsgrundlage stellt 11A eine Vorrichtung 10 ähnlich jenen zuvor in 5-7B gezeigten dar, in welcher sich ein Band 50 um eine Antriebsscheibe 30 und eine zweite Scheibe 40 herum dreht. In diesem Beispiel sind sowohl die Impuls- als auch die Erholungsphase (als Impulszone ZI und Erholungszone ZR gezeigt) der Borsten 60 durch die zweite Scheibe 40 definiert. Allerdings hat der vorliegende Erfinder durch Experiment und Entwicklung erkannt, dass das Impuls- und Erholungsprofil durch das Einführen von zusätzlichen Scheiben weiter verfeinert werden kann.
Bei der in 11B gezeigten Ausführungsform geht das Band 50 ferner um eine dritte Scheibe 46 mit einem dritten Radius 47 herum. In dem vorliegenden Fall ist der dritte Radius 47 größer als der zweite Radius 42. Dementsprechend ist die Erholungszone ZR für die Vorrichtung 10 größer, wenn die dritte Scheibe 46 eingebaut ist, wenn man mit einer Vorrichtung 10, die nur die Antriebsscheibe 30 und die zweite Scheibe 40 aufweist, vergleicht. Auf diese Weise stellt die Ausführungsform von 11A eine Ausgestaltung dar, in welcher das Band 50 auf die Vorrichtung 10 „abgestimmt“ ist, wohingegen die Ausführungsform der 11B eine Vorrichtung 10 darstellt, die auf das Band 50 abgestimmt ist, was im Gebrauch eine Konfigurierbarkeit des Impulses und der Erholung der Borsten 60 ergibt.
Weiteres Abstimmen wird durch Einführen zusätzlicher Scheiben vorgesehen, wie etwa der vierten Scheibe 48 eines vierten Radius 49, das in die Ausführungsform von 11C eingebaut ist. In diesem Fall schaffen die zusätzlichen Scheiben, die auf die zweite Scheibe 40 folgen, nicht nur eine Stufenänderung der Erholung der Borsten 60, sondern ergeben eine gradierte oder graduelle Erholung innerhalb der Erholungszone ZR. In dem vorliegenden Fall nehmen die Radien zu, wenn das Band 50 über die zweite Scheibe 40, die dritte Scheibe 46 und die vierte Scheibe 48 hinübergeht, um eine kontrollierte graduelle Erholung zu erreichen. Allerdings versteht sich, dass die vorliegende Anmeldung jegliche Anzahl von Scheiben nach der Antriebsscheibe 30 und der zweiten Scheibe 40 (einschließlich keiner zusätzlichen), und jegliche Konfiguration von Radien unter den Scheiben vorwegnimmt, um eine Benutzeranpassung und optimale Leistungsfähigkeit zum Abgleich der Vorrichtung 10 (einschließlich aller Scheiben darin), des Bands 50, der Borsten 60 und der Oberfläche 2 zu liefern.
Gewisse Ausführungsformen der Vorrichtung 10 sehen weiter Verbesserung gegenüber existierenden Vorrichtungen 6 vor, indem eine größere Breite des Bands 50 (wie etwa 42 mm gegenüber 21 mm) eingesetzt wird, sowie ein verbessertes faserverstärktes Banddesign, was die Leistungsfähigkeit der vorliegend offenbarten Vorrichtung 10 weiter erhöht.
Wie zuvor beschrieben, betrifft die vorliegende Offenbarung mehrere Ausführungsformen von Vorrichtungen 10, die eine Vielfalt von Anwendungen haben. In einer Anwendungsart betreffen die vorliegend offenbarten Vorrichtungen 10 und Verfahren Oberflächenpräparation innerhalb der Gemeinschaft, wie etwa im Zusammenhang mit der alternden Infrastruktur, die Wartung und Aufarbeitung erfordert. Zurzeit ist der Kiesstrahlprozess das Verfahren der Wahl, das zum Reinigen und Texturieren von Oberflächen vor dem Anstreichen verwendet wird. Allerdings sind Kiesstrahlprozesse aufgrund von Umweltverschmutzung und der Notwendigkeit für spezielle Sicherheitsausrüstung, die den Benutzer während des Betriebs einkapselt, schwierig zu implementieren.
Infolgedessen hat der vorliegende Anmelder erkannt, dass die vorliegend offenbarte Vorrichtung 10 als ein unverzichtbares Verfahren für „Punktreparatur“-Anwendungen dient - Anwendungen, die lokale Reparatur und lokale Wiederherstellung von Oberflächen, die sofortige Wartung erfordern, involvieren. Von daher gibt es in vielen Industrien großen Bedarf für die vorliegende Vorrichtung 10, einschließlich beispielsweise land- und seebasierter Gas- und Ölindustrien, öffentlicher Infrastruktur (Brücken und Bahnwaggons) und militärischer und kommerzieller Schiffbauindustrien.
Als weiteres Beispiel betrifft eine andere Art von Anwendung für die vorliegend offenbarten Vorrichtungen 10 und Verfahren Oberflächenverfestigungs-Operationen. Verfestigungsoperationen werden an metallischen Oberflächen, die für Ermüdungsversagen anfällig sind, und Primäranwendungen vorgenommen, wie etwa jene, die sich in der Luftfahrindustrie und hergestellten Motor- und/oder Maschinenkomponenten finden. In diesem Fall hat der vorliegende Erfinder erkannt, dass die vorliegend offenbarten Vorrichtungen 10 und Verfahren insbesondere vorteilhaft sind, wenn polierte hemisphärische Borstenspitzen 64 eingesetzt werden, die auf die Oberfläche 4 aufschlagen, ohne das Grundmetall zu entfernen.
In der obigen Beschreibung wurden zum Zwecke von Kürze, Klarheit und Verständnis gewisse Begriffe verwendet. Daraus sind keine unnötigen Beschränkungen abzuleiten, die über die Erfordernisse des Stands der Technik hinausgehen, da solche Begriffe zu Beschreibungszwecken verwendet werden und dafür gedacht sind, breit ausgelegt zu werden. Die verschiedenen hier beschriebenen Zusammenstellungen können allein oder in Kombination mit anderen Vorrichtungen verwendet werden. Es wird erwartet, dass verschiedene Äquivalente, Alternativen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs jeglicher angehängter Ansprüche möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62528625 [0001]
EP 1834733 [0007, 0011, 0033, 0034]

Claims

Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Motor, der ausgelegt ist zum Erzeugen einer Drehkraft; eine Antriebsscheibe, die betriebswirksam mit dem Motor gekoppelt ist, wobei die durch den Motor erzeugte Drehkraft eine Drehung der Antriebsscheibe bewirkt; ein Band mit einer Außenseite und einer Innenseite, wobei die Innenseite betriebswirksam mit der Antriebsscheibe gekoppelt ist, so dass eine Drehung der Antriebsscheibe eine Drehung des Bands bewirkt; eine zweite Scheibe, die auch betriebswirksam mit der Innenseite des Bands gekoppelt ist, wobei eine Drehung des Bands eine Drehung der zweiten Scheibe bewirkt; und mehrere Borsten, die jeweils ein Verankerungsende und eine dem Verankerungsende entgegengesetzte Borstenspitze aufweisen, wobei jedes Verankerungsende mit dem Band gekoppelt ist und wobei sich jede Borste von dem Band weg erstreckt; wobei die von dem Motor erzeugte Drehkraft bewirkt, dass sich die mehreren Borsten relativ zum Motor bewegen; und wobei die Oberfläche des Werkstücks bearbeitet wird, wenn die Borstenspitze einer bestimmten Borste der mehreren Borsten die Oberfläche kontaktiert, während sich die bestimmte Borste bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die mehreren Borsten von der Außenseite des Bands nach außen erstrecken und wobei die Vorrichtung ferner eine dritte Scheibe aufweist, die auch betriebswirksam mit der Innenseite des Bands gekoppelt ist, wobei die Drehung des Bands eine Drehung der dritten Scheibe bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antriebsscheibe einen Antriebsradius aufweist und die zweite Scheibe einen zweiten Radius aufweist und wobei der Antriebsradius größer als der zweite Radius ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Borsten beim Bearbeiten der Oberfläche des Werkstücks nur das Band und die Oberfläche des Werkstücks kontaktieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Borsten nichtlinear sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei sich die mehreren Borsten entlang eines Bandpfads bewegen und wobei die Borstenspitze für jede der mehreren Borsten in Bezug auf den Bandpfad dem Verankerungsende vorausläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei sich das Verankerungsende von jeder der mehreren Borsten im Ruhezustand senkrecht von dem Band erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Positionierfuß umfasst, wobei eine Mittellinie zwischen Achsen der Antriebsscheibe und der zweiten Scheibe definiert ist und wobei der Positionierfuß ausgelegt ist zum Angreifen an dem Werkstück, so dass die Mittellinie innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs relativ zu der Oberfläche gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der vorbestimmte Winkelbereich 10 - 30 Grad ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen visuellen Anzeiger umfasst, wobei eine Mittellinie zwischen Achsen der Antriebsscheibe und der zweiten Scheibe definiert ist, wobei der visuelle Anzeiger einen Winkel der Mittellinie relativ zu einer Horizontalebene anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der visuelle Anzeiger ferner einen vorbestimmten Winkelbereich für den Winkel der Mittellinie relativ zu der Horizontalebene zum Positionieren der Vorrichtung zeigt, wenn die Oberfläche des Werkstücks bearbeitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der visuelle Anzeiger eine gewichtsbelegte Nivelliereinrichtung ist und wobei der vorbestimmte Bereich 10 - 30 Grad ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Scheibe beim Bearbeiten der Oberfläche des Werkstücks näher an der Oberfläche als die Antriebsscheibe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Mittellinie zwischen Achsen der Antriebsscheibe und der zweiten Scheibe definiert ist, wobei das Band einem Bandpfad folgt, der während des Betriebs mehrere Positionen aufweist, wobei jede Position der mehreren Positionen während des Betriebs eine Borstenspitzengeschwindigkeit aufweist, und wobei die Borstenspitzengeschwindigkeit an einer Maximalgeschwindigkeitsposition unter den mehreren Positionen am größten ist, ferner umfassend einen Anzeiger, der einen Winkel zwischen dem Werkstück und der Mittellinie anzeigt, so dass die Borstenspitze einer bestimmten Borste unter den mehreren Borsten die Oberfläche kontaktiert, wenn sich die bestimmte Borste in der Maximalgeschwindigkeitsposition befindet.
Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen einer Drehkraft mit einem Motor; Koppeln einer Antriebsscheibe mit dem Motor, so dass die durch den Motor erzeugte Drehkraft die Antriebsscheibe dreht; Koppeln eines Bands an die Antriebsscheibe, wobei das Band eine Außenseite und eine Innenseite aufweist, wobei sich die Innenseite in Kontakt mit der Antriebsscheibe befindet und wobei ein Drehen der Antriebsscheibe das Band dreht; Koppeln einer zweiten Scheibe an das Band, wobei sich die Innenseite in Kontakt mit der zweiten Scheibe befindet und wobei ein Drehen des Bands die zweite Scheibe dreht; Koppeln mehrerer Borsten an das Band, wobei jede Borste unter den mehreren Borsten ein Verankerungsende und eine dem Verankerungsende entgegengesetzte Borstenspitze aufweist, wobei jedes Verankerungsende mit der Außenseite des Bands gekoppelt ist, wobei sich jede Borste unter den mehreren Borsten von dem Band weg erstreckt, und ein Drehen des Bands bewirkt, dass sich die mehreren Borsten relativ zum Motor bewegen; und Bearbeiten der Oberfläche des Werkstücks durch Kontaktieren der Oberfläche durch Kontaktieren der Oberfläche mit einer Borstenspitze einer bestimmten Borste unter den mehreren Borsten, während sich die bestimmte Borste bewegt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Antriebsscheibe einen Antriebsradius aufweist, der größer als ein zweiter Radius der zweiten Scheibe ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Mittellinie zwischen Achsen der Antriebsscheibe und der zweiten Scheibe definiert ist, wobei das Band einem Bandpfad folgt, der während des Betriebs mehrere Positionen aufweist, wobei jede Position der mehreren Positionen während des Betriebs eine Borstenspitzengeschwindigkeit aufweist, und wobei die Borstenspitzengeschwindigkeit an einer Maximalgeschwindigkeitsposition unter den mehreren Positionen am größten ist, ferner umfassend Ändern eines Winkels zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Mittellinie, so dass die Borstenspitze einer vorgegebenen Borste unter den mehreren Borsten die Oberfläche kontaktiert, wenn sich die bestimmte Borste in der Maximalgeschwindigkeitsposition befindet.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner Koppeln eines visuellen Anzeigers, der einen Winkel zwischen der Mittellinie und einer Horizontalebene zeigt, mit der Vorrichtung umfasst, wobei der visuelle Anzeiger auch einen vorbestimmten Bereich von Winkeln zeigt, der der Maximalgeschwindigkeitsposition entspricht, die auftritt, wenn die mehreren Borsten die Oberfläche parallel zu der Horizontalebene kontaktieren.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der vorbestimmte Bereich 10 - 30 Grad ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die mehreren Borsten nichtlinear sind und wobei die mehreren Borsten beim Bearbeiten der Oberfläche des Werkstücks nur das Band und die Oberfläche des Werkstücks kontaktieren.