DE4232578C2 - Anordnung zur Abschaltung eines Elektroantriebes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abschaltung eines elektronischen Elektroantriebes (DE 40 35 067 A1), insbesondere des Antriebes einer Arbeitsmaschine, wobei der Abschaltvorgang in Abhängigkeit von der anzu­ treibenden Last abläuft.

Bei den bisher bekannten technischen Lösungen erfolgt eine Abschaltung oder Begrenzung der abgegebenen Kraft bzw. des abgegebenen Momentes eines Antrie­ bes in Abhängigkeit des Betrages der anzutreibenden Last, so beispielsweise in DE 31 27 223 A1, DE 35 13 179 A1, DE 38 19 166 A1, DE 40 35 067 A1, die das Problem rein elektronisch lösen. Die GB 20 08 873 A löst diese Problemstellung in anderer Wirkungsweise, nämlich elektro-mechanisch. Derartige technische Lösungen dienen hauptsächlich dem Überlastungsschutz der Arbeitsmaschine, siehe dazu auch DE 34 05 942 A1, oder dem Definieren einer maximal zulässigen Antriebskraft bzw. eines maximal zulässigen Antriebsmomentes. Die DE 40 35 067 A1 beinhaltet in ihrer Schal­ tungsanordnung im Strompfad zwischen einer Energiequelle und einer Ansteuer­ elektronik, die mit dem Motor in Verbindung steht, einen Stromsensor, der ein dem Motorstrom proportionales Spannungssignal liefert. Es wird nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne nach Einschalten des Stromes zu Beginn und während der Betriebszeit des Motors einmalig der Strom gemessen. Überschreitet dieser Strom einen bestimmten Referenzwert, wird der Antrieb abgeschaltet, weil aus der Überschreitung auf einen Kurzschluß geschlossen wird. Analog dazu beinhaltet die DE 38 19 166 A1 eine Stromüberwachung, aber auch ein Differenzierglied, welches ein Steuersignal für die Drehzahl differenziert und daraus ein Korrektursignal ableitet. Die Schrift GB 20 08 873 A, deren Schaltungsanordnung den elektrischen Antrieb beim Überschrei­ ten einer vorgegebenen Änderungsgeschwindigkeit der Last abschaltet, arbei­ tet nach dem mechanischen bzw. elektro-mechanischen Wirkprinzip. Diese be­ kannten technischen Lösungen können bei plötzlichen Gefahrensituationen, wie sie durch nicht vorhersehbare Medienwechsel im Bearbeitungsgegenstand, Festlaufen des Werkzeuges, Werkzeugbruch, Losreißen von Werkzeug oder Bearbeitungsgegenstand u.ä. Situationen entstehen können, noch nicht so präzise Abschalten, wie dies erforderlich wäre. Diese Grenzsituationen werden durch derartige technische Lösungen noch zu unzuverlässig, gegebenenfalls erst mit Zeitverzögerung nach Eintritt der Wirkung, erkannt und gehandhabt. Dadurch werden bei solchen Ereignissen häufig schwere Schäden an den Bearbeitungsgegenständen, -Werkzeugen und/oder -maschinen hervorgerufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, welche die Geschwindigkeit der ablaufenden Wechsel der anzutreibenden Last elektronisch zeitparallel auswertet und gegebenenfalls den Antrieb zur Vermeidung von Schäden am zu bearbeitenden gegebenenfalls hochsensiblen Bohrgut abschaltet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 enthaltenen Merk­ male gelöst, wobei einem im Strompfad zwischen Energiequelle und Ansteuer­ elektronik bekanntermaßen eingeordneten Stromsensor, gegebenenfalls über einen in bekannter Schaltung zu verwendenden Tiefpaß, abzweigend nachge­ schaltet sind ein Schwellwertschalter und eine Differenzierschaltung, wobei das gegebenenfalls im Tiefpaß verarbeitete Spannungssignal bzw. das Signal des Stromsensors an beiden Schaltungselementen anliegt. Die Differenzier­ schaltung differenziert dieses Eingangssignal nach der Zeit. Die Ausgangs­ größe der Differenzierschaltung ist nachfolgend vorzeichenbehaftet auf zwei parallelgeschaltete Schwellwertschalter aufgeschaltet und verkörpert die Änderungsgeschwindigkeit des Motorstromes und damit der angetriebenen Last. Gleichfalls liegen an diesen beiden Schwellwertschaltern jeweils eine Reverenzspannung an. Am ersten Schwellwertschalter liegt eine Reverenzspannung an, die den Abschaltpunkt bei positiver Laständerungsge­ schwindigkeit, d. h. den Belastungsfall, verkörpert. Am zweiten Schwellwertschalter liegt eine Reverenzspannung an, die den Abschaltpunkt bei negativer Laständerungsgeschwindigkeit, d. h. den Entlastungsfall, verkörpert. Beide Schwellwertschalter vergleichen die Ausgangsgröße der Differenzierschaltung mit den jeweils zugeschalteten Reverenzspannungen.

Beide parallelgeschalteten Schwellwertschalter liefern als Ausgangsgröße je ein Signal, welche wieder mit ihren Signalwegen zusammengeführt und auf eine Abschaltvorrichtung aufgeschaltet sind. Einem bereits vorgenannten dritten Schwellwertschalter, der dem Stromsensor bzw. Tiefpaß nachgeordnet ist, ist neben dem Spannungssignal des Stromsensors oder Tiefpasses ein Reverenzsignal aufgeschaltet, das den zulässigen Maximalwert des fließenden Motorstromes repräsentiert. Dieser Schwellwertschalter vergleicht betrags­ mäßig das Ausgangssignal des Differentiators mit dem Sollwert und gibt ein dementsprechendes Signal auf die vorgenannte Abschaltvorrichtung ab, wenn der vorgegebene Sollwert überschritten wird, d. h. wenn vorgegebene Abschalt­ punkte überschritten werden. Der Abschaltvorrichtung sind weiterhin je ein Signal einer Überwachungseinrichtung und eines in bekannter Weise anzuordnenden Verzögerungsgliedes aufgeschaltet. Die Ausgangsgröße der Abschaltvorrichtung gelangt auf die Ansteuerelektronik, deren Ausgangssignal den Antrieb des Motors ansteuert, wobei diese bei entsprechender Signallage so beeinflußt wird, daß nicht nur eine Unterbrechung der Stromzufuhr zum Motor erfolgt, sondern ein aktives, z. B. durch Gegenstrom, oder ein passives, z. B. durch Kurzschluß des Motors, Abbremsen des Motors bewirkt wird. Werden einer der durch die Referenzspannungen am ersten und zweiten Schwellwertschalter vorgegebenen Abschaltpunkte oder der durch die Reverenzspannung am dritten Schwellwertschalter repräsentierte vorgegebene Maximalwert des fließenden Motorstromes überschritten, veranlaßt das jeweilige Signal des jeweils entsprechenden Schwellwertschalters vermittels der Abschaltvorrichtung und der Ansteuerelektronik das Unterbrechen der Stromzufuhr des Motors oder das Abbremsen des Motors. Die Referenz­ spannungen sollen betragsmäßig vom jeweils aktuellen Geschwindigkeits-Soll-Signal und/oder von den anderen veränderlichen Systemparametern abhängig gestaltet sein. Das Signal des Verzögerungs­ gliedes blockiert bekanntermaßen die Abschalteinrichtung, so daß diese erst nach Abklingen des Einschaltstromstoßes des Motors wirksam gemacht wird. Die Überwachungseinrichtung, die mit der Ansteuerelektronik ein gemeinsames Geschwindigkeits-Soll-Signal erhält, ist auf die Abschalteinrichtung aufgeschaltet, um sie gegebenenfalls unter bestimmten Betriebsbedingungen zu blockieren, d. h. daß im Falle einer Geschwindigkeitsregelung des Motors die Überwachungseinrichtung das Geschwindigkeits-Soll-Signal der Ansteuer­ elektronik dahingehend auswertet, daß eine durch die Reaktion der Ansteuerung auf eine Änderung des Soll-Signales hervorgerufene Änderung des stromproportionalen Signales ohne Reaktion der Abschalteinrichtung bleibt.

Entsprechend der jeweils konkreten Anwendungsbedingungen ist eine geeignete Auswahl der in der vorgenannten bevorzugten Ausgestaltung der Schaltungs­ anordnung in ihrer Summe genannten Mittel vorzunehmen und wie eben dort beschrieben in der jeweils zur Anwendung zu bringenden Schaltung zu plazieren. In der Summe der Wirkungen ergibt sich somit, daß ein zum Motorstrom, der der anzutreibenden Last in guter Näherung proportional ist, proportionales Signal zeitlich gewichtet und in der Größe seiner Änderungsgeschwindigkeit bewertet wird und bei Überschreitung vorgegebener oder ein­ stellbarer Sollwerte der Änderungsgeschwindigkeit der Motor über eine Abschalteinrichtung abgeschaltet wird.

Der besondere Vorteil dieser Schaltungsanordnung in medizinischen Bohr­ maschinen besteht darin, daß die Maschine im Moment des Durchbohrens der zweiten Cordicalis abschaltet und nicht weiterbohrend das dahinterliegende Gewebe beschädigt.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung in ihrer zur Erzielung der Wirkungen der Erfindung erforderlichen Ausgestaltung.

Die Erfindung findet Anwendung in der elektronischen Steuerung des Antriebes einer medizinischen Bohrmaschine für den Einsatz in der Osteosynthese. Bei der chirurgischen Behandlung von Knochenfrakturen mittels Verschraubungs- oder Verplattungsosteosynthese kommen spezielle Bohrmaschinen zum Einsatz, mit deren Hilfe für die zu setzenden Schrauben im Knochen Löcher vorgebohrt werden. Dabei muß garantiert werden, daß beim Durchbohren der zweiten Cordicalis kein hinter der Bohrung liegendes Gewebe beschädigt wird.

Diese Aufgabe wird hiermit dadurch gelöst, daß der Motorstrom I_M einer Bohr­ maschine mit einem Akku als Energiequelle I, der in guter Näherung zum anliegenden Antriebsmoment proportional ist, ständig gemessen wird. Als Erkennungsmerkmal für das Durchbohren kann in vielen Fällen ein sprung­ hafter, kurzzeitiger Lastanstieg kurz vor dem Durchbrechen der Bohrerspitze durch die Cordicalis herangezogen werden, danach ist ein plötzliches Nachlassen der Last beim Durchtreten des Bohrers durch den Knochen registrierbar.

Diese Lastwechsel machen sich in der Änderung des Motorstromes bemerkbar. Um o.g. Lastwechsel von solchen zu unterscheiden, die durch normale Vorgänge beim Bohren hervorgerufen werden, z. B. unterschiedlicher Druck durch die Bedienperson, wird die Geschwindigkeit, mit der diese Lastwechsel ablaufen, als Bewertungskriterium herangezogen.

Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung, wird das Stromsignal durch einen in den Strompfad I_M des Motors geschalteten Meßwiderstand III gewonnen. Nach geeigneter Signalaufbereitung zur Eliminierung von Störspannungsspitzen und des Einflusses der Steuerfrequenz des gepulsten Antriebes mittels eines Tiefpasses VIII wird ein dem Motorstrom I_M proportionales Signal in einem Differentiator IV differenziert und vorzeichenbehaftet zwei Schwellwertschaltern V und IX zugeführt, deren Schaltpunkte durch die Referenzspannungen U_{ref 1} und U_{ref 2} je einen Wert der Stromänderungsgeschwindigkeit im Belastungs- und Entlastungsfall repräsentieren, daß beim Durchbohren der Cordicalis der Antrieb abgeschaltet wird. Zusätzlich erfolgt eine Abschaltung des Antriebes beim Überschreiten eines zulässigen Betrages des Lastmomentes, indem das dem Motorstrom I_M proportionale Signal in einem dritten Schwellwertschalter X mit einem vorgegebenen zulässigen Maximalwert U_{ref 3} betragsmäßig verglichen wird. Damit wird erreicht, daß weitergehende Verletzungen des Knochens durch zu große Kräfte beim Bohren oder durch Losreißen des Werkzeuges sowie Beschädigungen innerhalb der Bohrmaschine vermieden werden. Die Abschalteinrichtung für den Motorstrom VT wird erst nach Abklingen einer Einschaltverzögerung durch das Verzögerungsglied XI wirksam, um nicht auf den Stromanstieg beim Anfahren des Motors zu reagieren. Der Anfahrstromstoß würde bei aktivierter Abschaltung sofort zum Ansprechen der Schwell­ wertschalter führen. Außerdem wird die Abschaltung kurzzeitig durch die Überwachungseinrichtung XII blockiert, wenn der Bediener der Bohrmaschine während des Betriebes eine Änderung der Drehzahl des Antriebes vornimmt. Bei empfindlich eingestellten Referenzspannungen der Schwellwertschalter würde die Änderung des Motorstromes I_M in Abhängigkeit von der Änderung der Motordrehzahl die Abschaltung zum Ansprechen bringen.

Mit Hilfe der dargestellten Anordnung wird erreicht, daß diese Bohrmaschine dem Chirurgen ein hohes Maß an Sicherheit und Bedienfreundlichkeit bietet.

Claims (3)

1. Anordnung zur Abschaltung eines Elektroantriebes, mit einem Stromsensor zur Erfassung des Motorstromes zwischen der Energiequelle und der An­ steuerelektronik, wobei ein dem Motorstrom (I_M) proportionales Span­ nungssignal (U_I1) auf eine Differenzierschaltung (IV) geschaltet ist, deren Ausgangsgröße (U_V), vorzeichenbehaftet einem ersten Schwellwert­ schalter (V) gemeinsam mit einer ersten Referenzspannung (U_{ref 1}), die den Abschaltpunkt im Belastungsfall verkörpert und einem zweiten Schwell­ wertschalter (IX) gemeinsam mit einer zweiten Referenzspannung (U_ref) die den Abschaltpunkt im Entlastungsfall verkörpert, zugeschaltet ist und die zusammengeführten Ausgangssignale (U_S) beider Schwellwertschalter (V) und (IX) der Abschalteinrichtung (VI) als Eingangsgröße aufgeschaltet sind, daß das proportionale Spannungssignal (U_I1) gemeinsam mit einer dritten Referenzspannung (U_{ref 3}), die einen zulässigen Maximalstrom repräsentiert, an einem dritten Schwellwertschalter (X) als Eingangsgröße anliegt, dessen Ausgangsgröße ebenfalls mit der Abschalteinrichtung (VI) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine weitere Überwachungseinrichtung (XII) als Eingangsgröße ein Geschwindigkeits-Soll-Signal (U_soll), welches gleichzeitig an der Ansteuerelektronik (11) als Eingangsgröße anliegt, zugeschaltet und daß die weitere Überwachungseinrichtung (XII) mit ihrem Ausgangssignal gleichfalls auf die Abschalteinrichtung (VI) aufgeschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Referenzspannungen (U_{ref 1}), (U_{ref 2}) und (U_{ref 3}) betragsmäßig vom jeweils aktuellen Geschwindigkeits-Soll-Signal (U_soll) und/oder den anderen veränderlichen Systemparametern abhängig gestaltet sind.