DE202013001200U1 - Positionier- und Bohrkontrollvorrichtung zur Aufnahme eines Bohrgerätes - Google Patents

Abstract

Positionier- und Kontrollvorrichtung zur lösbaren Aufnahme einer Bohrspindel und eines daran verfahrbar angebrachten Bohrmotors, dadurch gekennzeichnet, • dass zur sicheren Umfassung und Anpressung des zu bohrenden Objektes an die Positionier- und Kontrollvorrichtung eine Spannvorrichtung aus Spanngurt 1 und Spannratsche 2 verwendet wird • dass der Rahmen 3 der Positioniervorrichtung am unteren Befestigungspunkt 4 oder oberen Befestigungspunkt 5 der Bohrspindel mindestens einen Sensor 7 besitzt, der die Erfassung der Schwingungen in Bohrspindel 13, Positionierrahmen 3 und Bohrobjekt ermöglicht • dass der Positionierrahmen 3 zur Gewichtsminimierung und zur Glättung der Resonanzeigenschaften des Rahmens aus Rundrohr gefertigt ist • dass der zur Auflage auf dem zu bohrenden Objekt dienende Teil des Rahmens ebenfalls aus Rundrohr gefertigt ist, um eine selbsttätige Ausrichtung des Rahmens in Richtung der Längsachse des zu bohrenden Objektes erlaubt • dass die Positionier- und Kontrollvorrichtung eine Auswerte- und Anzeigeeinheit aufweist, die eine realtime-Frequenzanalyse ausführt und während des Bohrvorganges Veränderungen in der Konfiguration aus Positionierrahmen, Bohrgerät und Bohrobjekt anzeigt.

Description

• Gattungsgemäße Positionier- und Haltevorrichtungen dienen der Aufnahme und Führung von Handbohrmaschinen, um sie wie mobile Ständer- oder Säulenbohrmaschinen handhaben zu können. Zum Zwecke der Bearbeitung von zylindrischen Objekten aus unterschiedlichen Materialien und Durchmessern, wie sie z. B. bei Kanalisation, Wasserver- und Entsorgungsleitungen üblich sind, besitzen die Haltevorrichtungen geeignete Spanneinrichtungen, die das bohrende Objekt ganz oder teilweise umfassen und eine sichere Fixierung des Bohrwerks am Objekt gewährleisten sollen. Die sichere Fixierung erst erlaubt es, die Bohrungen exakt auszurichten und hinsichtlich azimutalem und lateralem Bohrwinkel während des gesamten Bohrvorganges konstant zu halten. Die saubere Ausführung der Bohrung, wie exakte Ausrichtung, Maß- und Passgenauigkeit des Bohrloches sind die Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit eines später in die Bohröffnung einzusetzenden Verschluss- oder Dichtungselementes.
• Gattungsgemäße Positionier- und Haltevorrichtungen sollen den mobilen Einsatz an zu bohrenden Objekten ermöglichen, die aufgrund ihrer Abmessungen und/oder ihres Gewichtes nicht oder nur unter unwirtschaftlichem Aufwand in eine stationäre Haltevorrichtung eingespannt werden können. Zur Aufnahme der während des Bohrvorganges auftretenden Kräften an Bohrspindel und Objekt-Spannvorrichtung müssen gattungsgemäße Positionier- und Haltevorrichtung sehr stabil ausgeführt werden und sind daher meist nicht durch eine einzelne Personen ohne weitere Hilfsmittel wie Transportwagen, Sackkarre oder Ähnliches transportierbar und am zu bohrenden Objekt anzubringen.
• Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, bei reduziertem Eigengewicht der Positionier- und Haltevorrichtung zum Zwecke des Einmanntransports die präzisionsgesicherte Herstellung von Bohrungen an zylindrischen oder auch ovalen Objekten zu gewährleisten.
• Dazu wird sowohl die sichere Fixierung der Bohrvorrichtung am zu bohrenden Objekt anspruchsgemäß sichergestellt, als auch eine realtime-Analyse des Konfigurationszustandes aus Bohrständer, Bohrmaschine und Bohrgut während des Bohrvorganges vorgesehen, um so den gesamten Bohrvorgang kontinuierlich zu überwachen und Fehlerquellen, wie locker der Fixierung oder Stumpfwerden der Bohrkrone, Spänestau, Rattern und fortgeschrittene Abnutzung des Schneidwerkzeugs bereits im Ansatz zu erkennen, bevor es zu Qualitätseinbußen an dem während des Bohrvorganges nicht sichtbaren Teil der Bohrlochwandung kommt.
• Beispielhaft wird ein Anwendungsfall beschrieben, bei dem eine Kernbohrung in eine Rohrleitung aus keramischem Material eingebracht werden soll. Dieser beispielhafte Anwendungsfall impliziert jedoch keine Einschränkung hinsichtlich Bearbeitungsziel wie Bohren einer Kernbohrung oder Vollbohrung, Sackloch oder Durchgangsbohrung, oder Fräs- oder Schleifaufgabe, noch hinsichtlich des Bohrobjektes wie Rohrleitung oder Vollmaterial, oder hinsichtlich des Werkstoffs des zu bohrenden Objektes wie Metall, Keramik, Kunststoff, Holz, Verbundwerkstoff, etc.
• Die neuartige Positionier- und Kontrollvorrichtung wird auf die Rohrleitung aufgesetzt und mit Hilfe eines Spanngurt, der um die Rohrleitung umfänglich herumgeführt wird, auf der Rohrleitung an der Stelle positioniert, an der das Bohrloch ausgeführt werden soll. Der Spanngurt (1) gewährleistet, dass die Kraftübertragung über den Rohrleitungsumfang weitgehend isobar erfolgt, und so eine Verformung oder partielle Überbelastung der Rohrwand vermieden werden kann. Zur Vergleichmäßigung des Anpressdruckes und zur Optimierung des mechanischen und akustischen Kontaktes zwischen Rohrwandung und Positioniervorrichtung besitzt diese einen Fuß aus zwei kufenförmigen zylindrischen Rohrteilen (3), wobei die Gurtbefestigung senkrecht unter dem Bohrzentrum angebracht ist. Damit richten sich die Kufen der Positioniervorrichtung selbsttätig, jedoch in Abhängigkeit vom Verhältnis Rohrdurchmesser zu Kufenabstand, bei Aufbringen der Gurtspannung bestmöglich in Richtung der Rohrlängsachse aus. Der zylindrische Querschnitt der Kufen gewährleistet, dass stets die ganze Länge der Kufe entlang einer Linie aufliegt, punktförmige Auflage vermieden wird, und die akustische Ankopplung durch Hertz'sche Flächenpressung entlang einer Linienquelle realisiert wird. Gleichzeitig führt die Ausfertigung der gesamten Positioniervorrichtung als Rundrohr zur Gewichtsminimierung bei hoher mechanischer Stabilität, wodurch die Einmann-Transportier- und Hantierbarkeit ermöglicht wird.
• Das Erreichen der notwendigen Gurtspannung zur unverrückbaren Fixierung der Positioniervorrichtung unterliegt dem subjektiven Eindruck des Bedienungspersonals. Aufgrund der elastischen Eigenschaften und des zusätzlichen Anpressdruckes der Bohrkrone beim anschließenden Bohrvorgang bei Betätigung der Bohrspindel erhöht sich einerseits die materialeigene Dehnung des Spanngurtes, und andererseits verringert sich der Anpressdruck der Kufen der Positioniervorrichtung an der Bohrgutoberfläche. Erlaubt diese Dehnung Schwingungen der Aufnahme der Bohrmaschinenaufnahme, so ist der Bohrkronenkontakt an der Bohrschneide zeitlich veränderlichen Bedingungen unterworfen, was sowohl den Bohrfortschritt als auch die Präzision der Bohrlochoberfläche negativ beeinflussen kann.
• Treten solche dehnungsinduzierten Schwingungen auf, so überlagern diese die mit dem Betrieb des Bohrmotors und des eigentlichen Schneidvorgangs im Bohrloch verbundenen Frequenzen an den Ankopplungspunkten 4 und 5 zwischen Bohrspindel und Positionierrahmen. Durch Einbringen eines geeigneten Wandlers, der diese Schwingungen in elektrische Signale transformiert und diese einer elektronischen Auswertung zugängig macht, die in dem Prozessor 11 in realtime durchgeführt wird, kann dieser die Bohrpräzision beeinträchtigende Zustand detektiert und mit einer visuellen Anzeige 12 dem Bedienungspersonal erkennbar gemacht werden.
• Da die Positioniervorrichtung in Rundrohr ausgebildet wird, das im Gegensatz zu Vierkantrohr, homogenere Widerstands-momente, weniger ausgeprägte Resonanzen und ein gleichmäßigeres Eigenfrequenzspektrum aufweist, wird die Analyse des Frequenzspektrums am Ankopplungspunkt zwischen Bohrspindel und Positioniervorrichtung vereinfacht.
• Der die Schwingung aufnehmende Wandler kann vorteilhaft als Piezowandler ausgeführt sein, der gleichzeitig als mechanisch ausreichend belastbare Distanzscheibe zwischen Positioniergerät und Bohrspindel an mindestens einem der Ankopplungspunkte 4 und 5 eingebracht wird. In einer anderen Form des Wandlers kann dieser auch als optischer Frequenzaufnehmer ausgebildet sein, der aus einer Emissioneinheit (Laserdiode bzw LED) an der Bohrspindel und einer geeigneten Photodiode besteht, die entweder an der Positioniereinrichtung selbst oder bei Auswertung der Reflektion des Lichtstrahl am Bohrgut neben der Emissionseinheit angebracht ist.
• Die Auswerteelektronik besteht im einfachsten Fall bei Einsatz eines Piezowandlers aus einem Verstärker, einem Tiefpass, dessen Charakteristik auf die Transmission der aus den elastischen Eigenschaften des Spanngurtes herrührenden niederfrequenten Frequenzen ausgelegt wird, einem Integrierglied und einem Spannungswandler, der eine Anzeige-LED ansteuert.
• Weitergehende Information über den Konfigurationszustand des Ensembles Positioniervorrichtung mit Spanngurt, Bohrspindel und Bohrmotor, Bohrkrone und zu bohrendes Objekt bietet die Auswertung des am schwingungsaufnehmenden Wandler anstehenden Frequenzspektrums unter Einsatz gängiger Analysetools wie Fourier-Transformation, in besonderer Ausführung als FFT (Fast Fourier Transformation) oder anderer Techniken der Signalanalyse. Hierfür sind handelsübliche hardware-programmierte Bausteine verfügbar, deren Einsatz, Ansteuerung und Einbindung den jeweiligen detaillierten technischen Beschreibungen und Handbüchern zu entnehmen ist. Bei Ausrüstung der Auswerteeinheit mit einem graphischen Display kann das Frequenzspektrum anschaulich und übersichtlich dargestellt werden, wobei besondere Phasen im Bohrprozess farblich hervorgehoben werden können, um so die Bedeutung der Information klar ersichtlich zu machen.
• Der gesamte Bohrprozess lasst sich unterteilen in die Phasen Anbohrvorgang, stationärer Bohrvorgang und Aus- oder Durchbruchsvorgang, bei denen sich die Frequenzspektren zum Teil sehr deutlich unterscheiden können. Da zum Beepiel die Positioniereinheit mittels Gelenk mit der Bohrspindel verbunden ist, können Bohrungen auch winklig in das Rohr eingebracht werden. In einem solchen Fall berührt die Bohrkrone der oben als Beispiel angeführten Kernbohrung die zu bohrende Oberfläche bei Beginn der Bohrung das Bohrgut punktförmig. Das resultierende Frequenzspektrum zeigt ist dabei stark vom Abstand der Zähne an der Bohrkrone und der Rotationsgeschwindigkeit des Bohrmotors geprägt, und ist daher bei Anlaufvorgängen sehr niederfrequent und ähnlich dem Spektrum bei nicht ausreichender Gurtspannung, jedoch treten gleichzeitig Frequenzanteile im hohen Ultraschallbereich auf, die von der Zerspannung am eingreifenden Bohrzahn herrühren. Mit Hilfe einer Fourier-Analyse sind solche Zustände von Rattern und ähnlichen unerwünschten Vorgängen unterscheidbar. Die Fourier-Analyse erlaubt es, besondere Bedingungen im Bohrprozess aufzudecken, wie Schwingungsinduzierung bei elastischem Rohrwandungsmaterial (Ratterschwingungen), Spänestau, heißgelaufene Bohrkrone (veränderte Materialhärte), Werkzeugverschleiß, inhomogenes Bohrmaterial, nichtausreichende Schmier- und Kühlmittelzufuhr und andere Prozessparameter.
• Ein Ausführungsbeispiel der neuartigen Positionier- und Kontrollvorrichtung wird anhand der schematischen Zeichnung im folgenden erläutert.
• In der Zeichnung bezeichnet die Nummer 1 den Spanngurt, der um das zu bearbeitende Objekt gelegt wird. Die Spannung des Gurtes wird mit Hilfe der Spanngurtratsche 2 eingestellt. Die Positionier- und Kontrollvorrichtung berührt in ihrem aus zylindrischen Rohr gerfertigten Fuß in Form zweier Kufen 3 das zu bearbeitende Objekt. Zwischen unterem Querriegel 4 und oberen Querriegel 5 wird die Bohrspindel eingespannt, wobei die untere Befestigung in Gelenkform ausgebildet ist, und die obere Befestigung ein Verbund aus unterer Aufnahmetasse 6, Piezowandler 7, oberer Aufnahmetasse 8, Unterlagscheibe 9 und Duchgangsbolzen 10 darstellt. Ein Prozessor 10 ist zusammen mit einem graphischen Display 11 als Auswerte- und Anzeigeeinheit in einem getrennten Gehäuse 12 auf dem oberen Querriegel untergebracht und besitzen eine eigene batteriebasierte Stromversorgung.

Claims (6)

1. Positionier- und Kontrollvorrichtung zur lösbaren Aufnahme einer Bohrspindel und eines daran verfahrbar angebrachten Bohrmotors, dadurch gekennzeichnet, • dass zur sicheren Umfassung und Anpressung des zu bohrenden Objektes an die Positionier- und Kontrollvorrichtung eine Spannvorrichtung aus Spanngurt 1 und Spannratsche 2 verwendet wird • dass der Rahmen 3 der Positioniervorrichtung am unteren Befestigungspunkt 4 oder oberen Befestigungspunkt 5 der Bohrspindel mindestens einen Sensor 7 besitzt, der die Erfassung der Schwingungen in Bohrspindel 13, Positionierrahmen 3 und Bohrobjekt ermöglicht • dass der Positionierrahmen 3 zur Gewichtsminimierung und zur Glättung der Resonanzeigenschaften des Rahmens aus Rundrohr gefertigt ist • dass der zur Auflage auf dem zu bohrenden Objekt dienende Teil des Rahmens ebenfalls aus Rundrohr gefertigt ist, um eine selbsttätige Ausrichtung des Rahmens in Richtung der Längsachse des zu bohrenden Objektes erlaubt • dass die Positionier- und Kontrollvorrichtung eine Auswerte- und Anzeigeeinheit aufweist, die eine realtime-Frequenzanalyse ausführt und während des Bohrvorganges Veränderungen in der Konfiguration aus Positionierrahmen, Bohrgerät und Bohrobjekt anzeigt.
2. Positionier- und Kontrollvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, • dass die Bohrspindel um eine zum Positionierrahmen laterale Achse Gelenk-gelagert ist und somit einen zusätzlichen Freiheitsgrad aufweist
3. Positionier- und Kontrollvorrichtung nach Anspuch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, • dass zur Optimierung der formschlüssigen Anpressung der Kufen des Positionierrahmens 3 diese mit einem elastisch verformbaren Gleitschutz 13 versehen werden, wobei dieser Gleitschutz die laterale Ausrichtung der Positionier- und Kontrollvorrichtung parallel zur Längsachse dess zu bohrenden Objektes vereinfacht
4. Positionier- und Kontrollvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, • dass der Sensor 7 als akustischer Frequenzaufnehmer, beispielweise als Piezowandler, ausgeführt ist, der die mechanischen Druckschwingungen in ein elektrisches Signal wandelt, • dass der Sensor 7 mit batteriebasierter eigener spannungsversorgung als zweiteiliger optischer Frequenzaufnehmer ausgeführt ist, bestehend aus einer Laserdiode bzw LED und einer differenz-geschalteten Mehrfeld-Photodiode, die einen am Bohrgut reflektierten Teilstrahl aus der Laserdiode in ein frequenzmoduliertes elektrisches Signal wandelt
5. Positionier- und Kontrollvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, • dass die Auswerteeinheit 11 eine Frequenzanalyse in realtime ausführt, • dass die Frequenzanalyse Veränderungen im Zustand der Bohrkonfiguration diskriminiert • dass Veränderungen des Zustands der Bohrkonfiguration dem Bedienungspersonal mindestens optisch angezeigt wird, wie zum Beispiel zu geringer Anpressdruck, Rattern, Spänestau, drohendes Verkanten oder Festfressen der Bohrkrone, Überschreiten der Abnutzung der schneidenden Teile der Bohrkrone • dass die Auswerteeinheit 11 zur Analyse des aktuellen Bohrvorganges mit Musterspektren für das jeweilige zu bohrende Material vorbelegt werden kann und durch Vergleich mit dem jeweiligen Musterspektrum erlaubt, den Bohrfortschritt zu optimieren und zum Beispiel den unmittelbar bevorstehenden Durchtritt der Bohrkrone durch das zu bohrende Material erkennen kann, so dass entweder der notwendige Lastabwurf rechtzeitig automatisch ausgelöst wird, oder für das Bedienungspersonal ein Signal ausgelöst wird.
6. Positionier- und Kontrollvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, • dass die Auswerteeinheit 11 bei kritischen Lastzustände oder Versagen von Bohrkrone oder Spannvorrichtung eine automatische Abschaltung oder Auskopplung des Bohrmotors veranlassen kann • dass die Auswerteeinheit 11 zur Analyse des aktuellen Bohrvorganges mit Musterspektren für das jeweilige zu bohrende Material vorbelegt werden kann und durch Vergleich mit dem jeweiligen Musterspektrum erlaubt, den Bohrfortschritt zu optimieren und zum Beispiel den unmittelbar bevorstehenden Durchtritt der Bohrkrone durch das zu bohrende Material erkennen kann, so dass entweder der notwendige Lastabwurf rechtzeitig automatisch ausgelöst wird, oder für das Bedienungspersonal ein Signal ausgelöst wird.

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