DE602004005973T2

DE602004005973T2 - Elektrisch angetriebenes Werkzeug

Info

Publication number: DE602004005973T2
Application number: DE602004005973T
Authority: DE
Inventors: Jonas Zachrisson; Per Sundström
Original assignee: Josef Kihlberg AB
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2024-06-19
Also published as: RU2372184C2; PT1607185E; DE602004005973D1; ATE359898T1; EP1755834B1; RU2006144839A; EP1755834A1; DE602005013664D1; EP1607185B1; EP1607185A1; ATE427190T1; ES2286557T3; JP2008502491A; WO2005123346A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Werkzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es werden ein Nagel, ein Stift oder eine Klammer zur Befestigung von Teilen aus verschiedenen Holzarten oder anderem weichem Material verwendet, wobei ein Nagel, ein Stift oder eine Klammer als geeignete Befestigungselemente verwendet werden. Zum Eintreiben eines Nagels, eines Stifts oder einer Klammer in seine bzw. ihre Unterlage kann ein Hammer verwendet werden. Bei industriellen Anwendungen wird ein Heft- oder Klammergerät verwendet, um diese Befestigungselemente einzutreiben.
Normalerweise verwendet ein Heft- oder ein Klammergerät Druckluft als Treibmedium. Druckluft steht normalerweise nur in Herstellungseinrichtungen zur Verfügung, weil es einen Verdichter zum Verdichten der Luft und ein Verteilsystem für die Druckluft erfordert. Das Verteilsystem besteht normalerweise aus Stahlrohren, und am Ende des Rohrs weist das System ein Druckminderventil mit einem Luftreiniger und einem Schnellverbindungsadapter auf.
Ein Heft- oder Klammergerät ist normalerweise ein Hand-Werkzeug und benötigt deshalb einen Gummischlauch zwischen dem Werkzeug und der Verbindungsstelle am Ende des Verteilsystems.
Der Vorteil bei Werkzeugen, die Druckluft verwenden, besteht darin, dass sie klein und leicht sind. Der Nachteil ist, dass sie Druckluft benötigen und sie nicht weit verbreitet zur Verfügung steht. Meistens steht sie nur in Herstellungsanlagen zur Verfügung. Wenn das Heft- oder Klammergerät ein Hand-Werkzeug ist, benötigt es des Weiteren einen langen und voluminösen Schlauch zwischen dem Werkzeug und der Verbindungsstelle, damit der Bediener es frei handhaben kann.
Es sind mehrere Lösungen zur Vermeidung der oben erörterten Nachteile patentiert worden. Es gibt mehrere Patente für Werkzeuge, die Elektrizität zum Antrieb eines Elektromotors verwenden, der eine Feder spannt ( US-Patent 5 503 319 ), ein Schwungrad beschleunigt ( US-Patent 5 511 715 ) oder eine oder zwei elektrische Spulen zusammen mit einer Feder erregt ( US-Patent 4 618 087 ). Diese Ideen nutzen elektrische Energie aus, wobei die Einheit über ein elektrisches Kabel mit einer Wandsteckdose verbunden ist. Einige andere Ideen verwenden schnurlose Lösungen unter Verwendung einer Gasart zum Antrieb einer Verbrennungseinheit ( US-Patent 5,720,423 ).
Es ist ein batteriebetriebenes Werkzeug bekannt, das eine Batterie aufweist, die einen Elektromotor antreibt, der ein Schwungrad beschleunigt, und wenn das Schwungrad genug Energie aufweist, wird es über ein Kupplungssystem mit einem Linearstellglied verbunden ( US-Patent 6 607 111 ). Der Nachteil besteht bei einem Schwungrad darin, dass es mehrere Sekunden dauert, bis es beschleunigt, und dass dadurch die Frequenz des Schlagens des Nagels oder der Klammer begrenzt ist.
Des Weiteren besteht der neue Trend bei Hand-Werkzeugen, wie zum Beispiel Schraubendrehern, Bohrmaschinen und Stichsägen darin, Batterieenergie zu verwenden. Deshalb sind Batterien aufgrund von Entwicklungen in jüngerer Zeit kleiner, leichter und leistungsstärker geworden.
Das US-Patent 4 618 087 beschreibt eine oder zwei Spulen, die mit einer Spannung von 110 oder 220 50/60 Hz erregt werden. Gemäß dem US-Patent 4 618 087 wird eine runde Stange oder ein Pendelelement verwendet, und die Spule ist so um die Stange gewickelt, dass zwischen der Innenseite der Spule und der Stange ein Luftspalt besteht. Wenn die Spule erregt wird, wird in der gleichen Richtung wie die Bewegungsrichtung der Stange, das heißt in Längsrichtung der Stange, ein Magnetfeld erzeugt, und die Stange wird in die Spule hineingezogen, um das Spuleninnere zu füllen. Wenn sich die Stange in der Startposition vor der Spule befindet, ist das Magnetfeld von einem Ende der Spule zum anderen Ende ausgerichtet, und diese Art von Spule wird deshalb auch als Luftspule bezeichnet. Luftspulen weisen normalerweise nur einen Wirkungsgrad von 40% auf, was relativ niedrig ist. Aus diesem Grunde eignet sich diese Lösungsart nicht für Batteriebetrieb.
Die Schrift US 2004/0084503 lehrt eine Nagelschlageinrichtung mit einem Hammer, einem ersten und einem zweiten Elektromagneten und einer Steuervorrichtung. Die Einrichtung ist so angeordnet, dass der zweite Elektromagnet nach dem ersten Elektromagneten eingeschaltet werden kann, um den Hammer anzutreiben.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Werkzeugs für Befestigungselemente, das tragbar und batteriebetrieben ausgeführt werden kann und das die mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe wird mittels eines Werkzeugs nach dem anschließenden Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein batteriebetriebenes Hand-Heft- oder Klammergerät. Das Heft- oder Klammergerät besteht aus einem elektrisch betriebenen Linear-Betätigungsmotor, der durch ein Mikrocomputermodul gesteuert wird, einer Batterie als Energiequelle und einem herkömmlichen Nagel- oder Klammerzuführungssystem.
Der Linear-Betätigungsmotor verwendet einen Satz von elektromagnetischen Jochen und ein Pendelelement, das sich zwischen den magnetischen Polen in diesen Jochen bewegt. Das Pendelelement weist in einem Ende eine Energie aufnehmende Feder, die komprimiert wird, wenn sich das Pendelelement rückwärts bewegt wird, und im anderen Ende einen Treiberstift zum Eintreiben des Nagels, des Stifts oder der Klammer in seine bzw. ihre Unterlage auf.
Die vorliegende Erfindung kann in Form einer neuen Art von schnurlosem Hand-Heft- oder -Klammerwerkzeug implementiert werden und nutzt die neu entwickelte Batterietechnik und neue Arten von Mikrocomputertechnologien zur Herstellung eines neuen elektrischen Linear-Betätigungsmotors zum Antrieb eines Nagels, eines Stifts oder einer Klammer in seine bzw. ihre Unterlage aus.
Im Vergleich zu bekannten Anordnungen sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung ein magnetisches Joch verwendet, das aus laminiertem magnetischem Weicheisen besteht, und das Magnetfeld erstreckt sich senkrecht zur Bewegungsrichtung der Stange oder des Pendelelements über einen Weicheisenring im Pendelelement. Auf diese Weise bewegt sich das Magnetfeld in Eisen mit Ausnahme von zwei sehr kleinen Luftspalten zwischen dem Joch und dem Pendelelement. Diese Art von Magnetausführung kann als Eisenkernspule bezeichnet werden und weist in Abhängigkeit von der Größe des Luftspalts einen Wirkungsgrad von mindestens 80% auf.
Andere Vorteile dieser Ausführungsart sind eine hohe mechanische Dichte in Bewegungsrichtung des Pendelelements, und da das Heftwerkzeug mehrere Joche benötigt, um die erforderliche Energie zum Schlagen eines größeren Nagels oder einer größeren Klammer zu erzeugen, ist die Packungsdichte von Bedeutung. Wenn mehrere Luftspulen verwendet werden müssen, wird das gesamte Werkzeug lang sein, und da es sich hierbei um ein Hand-Werkzeug handelt, ist auch die Gesamtgröße des Werkzeugs wichtig. Ein Motor mit einem Joch und einer Pendelelementanordnung weist des Weiteren den Vorteil auf, dass er viele Nägel und Klammern pro Sekunde abschießen kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und B sind eine 3D- und eine Seitenansicht eines batteriebetriebenen Heft- oder Klammerwerkzeugs gemäß der Erfindung.
2A und B sind eine 3D- und eine Seitenansicht eines Linear-Betätigungsmotors mit einem Pendelelement.
3A und B sind eine auseinander gezogene 3D- und eine Vorderansicht des magnetischen Jochs mit Spulen und eines Abstandsteils aus nichtmagnetischem Material zum nächsten Joch.
4A, B und C sind zwei 3D-Ansichten und eine Seitenansicht des Pendelelements mit einem Pendelelement-Eisenkern, der mit Pendelelement-Abstandsteilen beabstandet ist. Das Pendelelement weist in einem Ende einen Treiber und im anderen Ende die Energieaufnahmefeder auf.
5A, B, C und D sind Ansichten, die die Beziehung zwischen dem Pendelelement-Eisenkern, den magnetischen Polen im Joch und die Zeitsteuerstange an den Start- und Endpunkten für Stromfluss durch die Spulen zeigen.
6 ist ein Zeitdiagramm des Ein- und Ausschaltens zwischen den verschiedenen Jochspulen.
7 ist ein Pendelelement-Rückstellkraft-Diagramm, das die Beziehung zwischen der Motorkraft und der Rückstellfederkraft zeigt.
8 ist ein Pendelelement-Schlagkraft-Diagramm, das die Beziehung zwischen der Motor- und der Federkraft und die Federkurve für einen Nagel mit einer Länge von 65 mm zum Eindringen in eine normale Holzunterlage zeigt.
9 zeigt die Beziehung zwischen Pendelelementgeschwindigkeiten, Rück- und Schlagbewegung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1A und B zeigen eine 3D- und eine Seitenansicht eines batteriebetriebenen Heft- oder Klammerwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das eine wiederaufladbare und austauschbare Batterie aufweist. In einer Seite des Griffs 3 und an der anderen Seite ist ein Linear-Betätigungsmotor mit einem (in den 1A und B nicht gezeigten) Joch in einem Gehäuse 4. Die Bewegung des Pendelelements beginnt mit der Betätigung eines Abzugs 2, und infolgedessen bewegt sich das Pendelelement aus seiner niedrigsten Position in die oberste Position und wieder zurück. Während dieser Bewegung bewegt sich ein Nagel, ein Stift oder eine Klammer in der Zuführungskassette 5 nach vorne zu einer Schussschiene 6 und ein vor dem Pendelelement angeordneter Treiber wird in die Schussschiene geführt und treibt den Nagel, den Stift oder die Klammer in seine bzw. ihre Unterlage. Oben auf dem Gehäuse 4 ist eine Anzeige 7 angeordnet und informiert den Bediener über den unterschiedlichen Status des Werkzeugs, wie zum Beispiel Zeit, die Batterie auszuwechseln, oder keine Nägel, Stifte oder Klammern in der Zuführungskassette oder andere nützliche Informationen.
Die 2A und B zeigen eine 3D- und eine Seitenansicht des Linear-Betätigungsmotors, der in dem oben erwähnten Klemmerwerkzeuggehäuse 4 angeordnet ist. Der Motor ist aus zwei Arten von Jochanordnungen zusammengebaut, insbesondere aus einer ersten Jochanordnung 8 und einer zweiten Jochanordnung 9. Wie in den 3A und 3B ausführlich gezeigt, sind die Jochanordnungen 8, 9 mit Spulen 15 bei 10:00- und 16:00-Uhr (das heißt die erste Jochanordnung 8) und mit Spulen 15 bei 8:00- und 14:00-Uhr (das heißt die zweite Jochanordnung 9) angeordnet. Die beiden Arten von Jochanordnungen sind abwechselnd zwischen der ersten Art 8 und der zweiten Art 9 hintereinander gestapelt. Die 2A und 2B zeigen vier Jochanordnungen, aber der Motor kann in Abhängigkeit davon, wie viel Schlagenergie der Motor liefern muss, auch aus einem Stapel mit einer variierenden Anzahl von Jochanordnungen bestehen. In der Mitte des Motors ist das Pendelelement 10 angeordnet; dieses wird durch das Mittelloch im Abstandsteil 17 in der Jochanordnung (siehe 3A und B) geführt. Die Schrauben 11 halten die Jochanordnungen zusammen (in der Figur ist nur eine Schraube zu sehen), und die Jochanordnungen sind aufeinander ausgerichtet, um eine perfekte Führung des Pendelelements 10 zu erleichtern. In den 2A und B ist die Frontplatte entfernt, um die Joche 16 und die Spulen 15 sichtbar zu machen. In den 2A und B ist der Treiber 13 am unteren Ende des Pendelelements angebracht, und das Pendelelement befindet sich nun in der Startposition, wobei der Treiber 13 am unteren Ende der Schussschiene 6 anliegt. In dieser Position befinden sich einige der Pendelelement-Eisenkerne 12 kurz vor den Jochen 16 in der Jochanordnung, damit sich das durch die Spulen 15 erzeugte Magnetfeld durch die Joche über einen Luftspalt von 0,05 bis 0,1 mm zwischen den Jochpolflächen 19 und dem Pendelelement-Eisenkern 12 bewegen kann. Wenn das Magnetfeld durch den Luftspalt passiert, wird eine Kraft erzeugt, um das Pendelelement nach vorne in den Motor zu bewegen, um den Pendelelement-Eisenkern 12 in das Joch 16 zu bewegen. Wenn der Pendelelement-Eisenkern 12 im Joch 16 ausgerichtet ist, wird der Strom über die Spulen 15 abgeschaltet und das Magnetfeld beendet, und durch dieses Joch wird keine Kraft zur Bewegung des Pendelelements mehr erzeugt.
Der Motor weist mehrere Joche auf, und es sind immer fast 50% seiner Joche aktiviert, und sobald ein Joch endet, fängt ein neues an. Das Pendelelement bewegt sich nun rückwärts in den Motor, und dadurch komprimiert es die Energieaufnahmefeder 14, und die Feder 14 wandelt nun die kinetische Energie von der Pendelelementbewegung in statische Energie um, die bei der Schlagbewegung des Pendelelements verwendet werden kann.
Die 3A und B zeigen eine 3D- und eine Vorderansicht der Jochanordnung. Die Jochanordnung besteht aus einem Abstand 17 aus einem nichtmagnetischen Material mit guten Lagereigenschaften für das Lagerloch in der Mitte. Oben auf dem Abstand 17 befinden sich zwei C-förmige Joche 16, die zueinander weisen. Die Joche 16 bestehen aus mehreren magnetischen Blechplatten, die zur Bildung jedes Jochs zusammenlaminiert sind. An jedem Joch ist eine Spule 15 montiert, und zwischen der Spule und dem Joch sind eine oder zwei zusätzliche Laminatplatten 20 angeordnet, um den Bereich innerhalb der Spule gleich dem Bereich der Jochpolfläche 19 zu machen. Die Verwendung der zusätzlichen magnetischen Platten 20 hängt von dem Magnetfeld innerhalb des Jochs ab, ob es gesättigt wird oder nicht.
Die beiden Joche 16 sind so angeordnet, dass die vier Polflächen 19 einen Kreis bilden, der konzentrisch zum Lagerloch in der Mitte des Abstands 17 ist. Hinter den vier Polflächen in den beiden Jochen sind bezüglich des Mittellochs im Abstand 17 rechts die beiden Joche mit vier Befestigungselementen 18 befestigt. Der Durchmesser des Polflächenkreises ist ca. um das 0,1- bis 0,15-Fache größer als der Durchmesser des Lagermittellochs im Abstand 17. Die Differenz bildet den Luftspalt zwischen dem Pendelelement-Eisenkern 12 und den Polflächen 19, wenn das Pendelelement 10 durch das Lagerloch im Abstand 17 geführt wird.
Die 4A, B und C zeigen zwei 3D-Ansichten und eine Seitenansicht des Pendelelements 10 mit dem Treiber 13 und der Rückstellfeder 14. Das Pendelelement kann auf verschiedene Weise hergestellt sein, aber diese Abbildung zeigt ein Rohr 21, das aus einem nicht magnetischen Material, wie zum Beispiel Aluminium oder rostfreiem Stahl, hergestellt ist.
Am Umfang des Rohrs sind mehrere magnetische Blechteile zu einem Pendelelement-Eisenkern 12 zusammengestapelt, und zwischen jedem Pendelelement-Eisenkern 12 ist ein Pendelelementabstand 22 aus nichtmagnetischem Material angeordnet, um die Pendelelement-Eisenkerne ordnungsgemäß zu beabstanden. Das gesamte Pendelelementpaket wird durch einen Anschlag 26 in einem Ende des Rohrs 21 und eine Mutter 24 im anderen Ende zusammengehalten, wodurch das Blechpaket zusammengepresst werden kann. Der laminierte Pendelelement-Eisenkern 12 funktioniert als Brücke, damit sich das Magnetfeld von einer Polfläche 19 über den Luftspalt zum nächsten Luftspalt und zur nächsten Polfläche in der ersten und zweiten magnetischen Jochanordnung 8 und 9 bewegen kann. Solange sich der Pendelelement-Eisenkern 12 auf dem Weg in ein Joch befindet, zieht das Magnetfeld den Pendelelement-Eisenkern, so dass er sich in der Jochanordnung ausrichtet.
An einem Ende des Rohrs 21 ist der Treiber 13 mit irgendeinem mechanischen Befestigungselement am Rohr montiert, um den Treiber bezüglich des Pendelelements in Position zu halten. Der Treiber 13 kann in dem Rohr geführt werden, damit es einfacher wird, der Treiber leichter in die Schussschiene 6 geführt werden kann, wenn sich das Pendelelement auf seinem Weg nach unten zum Aufschlagen auf den Nagel, den Stift oder die Klammer befindet. An der anderen Seite des Rohrs 21 ist die Feder 14 zumindest teilweise innerhalb des Rohrs wie das Ende des Treibers 13 oder irgendein anderer Anschlag angeordnet. Das andere Ende der Feder liegt an der Fläche der oberen Abdeckung des Gehäuses 4 an. Ein an der oberen Gehäuseabdeckung 4 angeordneter Stift ragt in der Feder 14 nach unten, um den Teil der Feder zu führen, der nicht von dem Rohr 21 geführt wird.
In 4C ist der letzte Pendelelementabstand 22 entfernt, um die zusätzlichen Eisenteile 25 des Pendelelements zu zeigen, die dem Pendelelement-Eisenkern eine zusätzliche Querschnittsfläche hinzufügen, so dass der Pendelelement-Eisenkern die gleiche Fläche aufweist wie die eine Polfläche. Die Magnetfeldbahn muss die gleiche Fläche wie die Polflächen aufweisen, um unnötige Begrenzungen für den Fluss des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Sättigung des Feldes zu vermeiden.
Entlang einer Seite des Pendelelementkörpers ist eine Zeitsteuerstange 23 montiert. Der Hauptzweck der Zeitsteuerstange ist es, den (unten zu beschreibenden) Sensoren, die zwischen den Jochen innerhalb der Abstände 17 angeordnet sind, anzuzeigen, wo sich das Pendelelement bezüglich der verschiedenen Joche befindet. Gleichzeitig können die Signale von den Sensoren dazu verwendet werden, die Geschwindigkeit des Pendelelements zu berechnen. Eine zweite Verwendung für die Zeitsteuerstange 23 besteht darin, das Pendelelement daran zu hindern, sich um seine mittlere Achse zu drehen, um zu vermeiden, dass die magnetische Fläche im Pendelelementeisen durch die die Zeitsteuerstange haltenden Anordnungsschlitze reduziert wird.
Die 5A, B, C und D zeigen eine Start- und Stoppposition und die Beziehung zwischen der Zeitsteuerstange 23 und den Sensoren 27, die zum Beispiel einen mit einem Detektor zusammenwirkenden Lichtstrahl umfassen. Es können mehrere Zeitsteuerkonzepte verwendet werden, aber in diesen vier Figuren wird nur eines von vielen verschiedenen möglichen Konzepten erläutert.
In 5A befindet sich das Pendelelement 10 in seiner Startposition für eine Rückbewegung, und der Einfachheit halber werden nur zwei Jochanordnungen gezeigt, das heißt die erste Jochanordnung 8 und die zweite Jochanordnung 9. Der Pendelelement-Eisenkern 12 ist kurz vor dem Joch 16 in der Jochanordnung 9 positioniert. Der Abstand zwischen dem Pendelelement-Eisenkern 12 und dem Joch 16 beträgt ca. 0,8 bis 0,5 mm. In diesem Moment scheint ein von dem sich im Abstand 17 befindenden Sensor 27 erzeugter Lichtstrahl 28 durch das Fenster 29 in der Zeitsteuerstange 23, und ein Signal meldet den Logikkreisen in einer (in den Zeichnungen nicht gezeigten) Steuereinheit, dass die Spulen 15 in der Jochanordnung 9 erregt werden sollen. Wenn die Spulen erregt sind, wird ein Magnetfeld erzeugt, das das Pendelelement 10 in die Position in 5B zieht. In 5b haben sich das Pendelelement 10 und der Pendelelement-Eisenkern 12 in eine Position bewegt, in der der Pendelelement-Eisenkern 12 auf das Joch 16 ausgerichtet ist, und in diesem Moment ist das Fenster 29 unterwegs, um den Lichtstrahl 28 auszusperren. Wenn kein Signal von dem Sensor 23 vorliegt, wird das Magnetfeld abgeschaltet, und das Pendelelement bewegt sich durch seine eigene Trägheit um 0,1 bis 0,2 mm in die Position in 5C. In 5C befindet sich der nächste Pendelelement-Eisenkern 12 vor dem Joch 16 in der ersten Jochanordnung 8, und der Lichtstrahl 28 vom anderen Sensor 27 in der ersten Jochanordnung 8 scheint durch das nächste Fenster 29 in der Zeitsteuerstange 23. Der neue Sensor 27 zeigt nun der Logik an, dass es Zeit ist, die erste Jochanordnung zu erregen, und das Magnetfeld zieht das Pendelelement 10 in die Position in 5D. In 5D hat sich der Pendelelement-Eisenkern 12 in das Joch 16 in der Jochanordnung 8 bewegt, und das Fenster 29 schließt den Lichtstrahl 28, und das Magnetfeld in der Jochanordnung 8 wird abgeschaltet. In diesem Moment beginnt der Prozess von neuem mit 5A. Wenn die Ausführung nunmehr mehr Joche als vier, sechs oder acht Joche umfasst, sind mehrere der Joche parallel, aber in einem versetzten Modus.
6 zeigt eine Zeitkurve für vier Joche wie die Ausführung in den 2A und B. Die vier Joche werden mit A bis D bezeichnet, und Joch A ist die niedrigste Kurve, Joch B die zweite, Joch C die dritte und schließlich Joch D ist oben. Bei Null-Durchgang sind die Joche D und C eingeschaltet, wenn aber Joch C ausgeschaltet wird, geht Joch A an, und Joch D geht dann aus, Joch B geht an. Auf diese Weise gehen die verschiedenen Joche in einem versetzten Modus an und aus. Manchmal, wenn ein Joch ausgeht und das nächste angeht, erfordert dies eine Bewegung von 0,1 bis 0,2 mm des Pendelelements zwischen der Ein- und Ausfolge. Wenn der Motor sechs oder acht Joche hat, erfolgt die Zeitsteuerung auf die gleiche Weise, aber drei oder vier Joche werden dann gleichzeitig an sein, jedoch in der Folge wie in 6 versetzt.
Es können auch andere Zeitkonzepte verwendet werden. In 5 werden nur zwei Joche verwendet, aber statt des Jochs 8 könnten auch zwei oder drei Joche mechanisch so angeordnet sein, dass sie parallel zusammenwirken. Wenn zum Beispiel vier Joche vorgesehen sind, bedeutet dies, dass zwei Joche gleichzeitig angehen. Die anderen beiden Joche gehen auch gleichzeitig an, aber nachdem die ersten beiden ausgegangen sind.
2B zeigt das Pendelelement 10 in seiner niedrigsten Position, was bedeutet, dass die Spitze des Treibers 13 auf die niedrige Spitze der Schussschiene 6 ausgerichtet ist. Auf Befehl von dem Abzug 2 startet der Motor, um das Pendelelement 10 rückwärts zu bewegen, und die von dem Motor aufgebrachte Kraft muss größer sein als die Kraft von der Feder 14, damit sich das Pendelelement bewegt. 7 zeigt zwei Kurven, eine ist die Motorkraft und die andere ist die Federkraft. Um den Motor zu starten, weist die Feder eine Startkraft von 120 N und der Motor eine Durchschnittskraft von 200 N auf. Das Pendelelement beginnt damit, sich zu bewegen, und die Geschwindigkeit nimmt nach einer Bewegung von 85 mm bis zu 4,1 m/s zu. Zu diesem Zeitpunkt überquert die Federkurve die Motorkurve, und die Geschwindigkeit verlangsamt sich nach einer Bewegung von 140 mm auf null. Die gesamte Rückwärtsbewegung dauert 54,5 ms. An der oberen Pendelelementposition ist die Feder 14 vollständig komprimiert und befindet sich innerhalb des Pendelelements 10, und zu diesem Zeitpunkt hält das Pendelelement an und beginnt sofort, sich vorwärts zu bewegen. 8 zeigt die Vorwärts- oder Schlagbewegung, und nun bewegen zwei Kräfte das Pendelelement vorwärts, die Kraft von der komprimierten Feder und die Kraft vom Motor. Die Motorkraft kann aufgrund von Beschränkungen der Anstiegszeit für den durch die Spulen 15 fließenden Strom und des Weiteren in Abhängigkeit von der Dicke des Jochs 16 und anderen Motorparametern mit einer Geschwindigkeit von über 6 bis 10 m/s unter 200 N fallen. Aus diesem Grunde weist die Motorkraftkurve eine Einsattlung auf.
Bei dieser Simulation wird angenommen, dass das Heftwerkzeug einen Nagel mit einer Länge von 65 mm mit einer Rück- und Aufschlag-Pendelbewegung eintreiben soll. 8 zeigt, dass eine Energie von 40 J erforderlich ist, um einen Nagel mit einer Länge von 65 mm zu schlagen, wobei 40 J gleich einer Kraft ist, die nach Eindringen des Nagels um 10 mm von Null N auf 514,9 N ansteigt und nach vollem Eindringen des Nagels in seine Unterlage mit 754,9 N endet. Das Pendelelement beginnt mit dem Schlagzyklus, und die Geschwindigkeit nimmt zu dem Zeitpunkt, wenn es auf den Nagel aufschlägt, bis zu 11,7 m/s zu, und danach verlangsamt sich die Geschwindigkeit bis zu 1,4 m/s, was bedeutet, dass der Nagel mit nur einem Rückbewegungs- und Schlagzyklus eingetrieben wird. Der Gesamtschlagzyklus dauert 21,3 ms und der Rückbewegungszyklus 54,5 ms, was eine Gesamtzeit von 75,8 ms ergibt.
9 zeigt die Pendelelementgeschwindigkeit in Bezug zu der Pendelelementposition. Die Rückbewegungsgeschwindigkeit hängt vom Pendelelementgewicht, der Motorkraft und der Federkraft ab. Das Pendelelement erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 4 bis 8 m/s als Spitzenwert und verlangsamt sich auf null m/s in der oberen Position. Beim Schlagzyklus ist es wichtig, eine möglichst hohe Geschwindigkeit zu erreichen, und sie hängt von den gleichen Parametern wie beim Rückbewegungszyklus und auch von der Einsattlung der Motorkurve ab. Eine typische höchste Geschwindigkeit liegt zwischen 10 und 15 m/s kurz vor Aufschlagen zwischen Treiber 13 und Nagel, und danach verlangsamt sie sich auf null m/s. Da das Heftwerkzeug einen Mikrocomputer aufweist, der die Zeitsteuerung und die Pendelelementgeschwindigkeit steuert, kann er bestimmen, ob der Motor die Kraft am Ende des Zyklus reduzieren muss, um zu verhindern, dass der Nagel zu tief in seine Unterlage eingetrieben wird. Wenn das Gegenteil der Fall ist, das heißt wenn der Mikrocomputer feststellt, dass das die Geschwindigkeit des Pendelelements zu niedrig ist, um den Nagel ganz einzutreiben, hat er keine Möglichkeit, die Feder- oder Motorkraft zu erhöhen. Um dieses Problem zu lösen, kann er sofort damit beginnen, das Pendelelement ein zweites Mal zurückzuführen, nachdem es angehalten hat, und in Abhängigkeit davon, wie viele Millimeter Nageleindringtiefe übrig bleiben, führt er das Pendelelement wieder um das geeignete Maß zurück und führt aus dieser Position einen zweiten Schlagzyklus durch, um den Nagel tiefer in seine Unterlage zu treiben. Dies kann erfolgen, weil 40 J Schlagenergie auf normalem Holzmaterial basiert, wenn aber der Nagel zum Beispiel in einer härteren Holzart eindringen muss, reicht ein Pendelelementzyklus möglicherweise nicht dazu aus, die Gesamtlänge des Nagels in seine Unterlage hinein zu bewegen. Deshalb ist es wichtig, dass die Geschwindigkeit des Pendelelements gesteuert und dass ermittelt werden kann, ob ein zweiter Schlagzyklus erforderlich ist oder ob die Geschwindigkeit durch Reduzieren der Motorkraft reduziert werden muss, um das Schlagen des Nagelstifts oder der Klammer in seine bzw. in ihre Unterlage zu steuern.
Die Größe und die Kosten für den Motor für das Heft- oder Klammerwerkzeug und für die Rückstellfeder können reduziert werden, wenn der Schlag auf einen Nagel, einen Stift oder eine Klammer auf einem Minimum von zwei oder drei Pendelelementzyklen beruht. Ein Zyklus dauert nur ca. 75 bis 100 ms, zwei vollständige oder fast vollständige Zyklen dauern nicht länger als ca. 150 bis 200 ms. Wenn die beiden Zyklen während einer sehr kurzen Zeit durchgeführt werden, kann der Bediener nicht bestimmen, ob ein, zwei oder sogar drei Zyklen verwendet werden, um auf den Nagel, den Stift oder die Klammer zu schlagen. Bei diesem Konzept kann eine Größe von Heft- oder Klammerwerkzeug eine größere Palette von verschiedenen Nägeln, Stiften oder Klammern abdecken. Wenn das Konzept mit doppeltem Aufschlag verwendet wird, ist es wichtig, dass das Pendelelement eine Rückkehrbewegung aus einer beliebigen Anhalteposition beginnen kann, da der Nagel, der Stift oder die Klammer nach dem ersten Schlag in Abhängigkeit von der Härte des Materials in der Unterlage an irgendeiner Stelle anhalten können. Wenn der Mikrocomputer darüber informiert wird, um wie viele Millimeter der Nagel, der Stift oder die Klammer sich das zweite Mal bewegt haben, kann er berechnen, wie weit er das Pendelelement das zweite Mal zurückführen muss, um die richtige Energiemenge zum Schlagen des Nagels, des Stifts oder der Klammer mit der zweiten Bewegung zu erzeugen.
Wenn das Pendelelement einen Nagel, einen Stift oder eine Klammer in seine bzw. ihre Unterlage heruntergedrückt hat, befindet es sich in seiner Ausgangsposition. In der Ausgangsposition übt die Energieaufnahmefeder einen leichten Druck auf das Pendelelement aus, um dieses in Position zu halten.
Wenn nun der Bediener des Werkzeugs einen Nagel, einen Stift oder eine Klammer eintreiben möchte, beginnt der Linearmotor damit, das Pendelelement rückwärts zu bewegen und die Feder zu komprimieren. An der höchsten Stelle oder in der hintersten Position des Pendelelements ist die Feder komprimiert, und sämtliche kinetische Energie von der Rückwärtsbewegung des Pendelelements wird in der Feder gespeichert. Aus der rückwärtigen Position beginnt das Pendelelement nun sofort die Vorwärts- oder Schlagbewegung und beschleunigt mit Hilfe des Linearmotors und der komprimierten Feder auf eine hohe Geschwindigkeit. Während der Rück- und Schlagbewegung des Pendelelements führt das Nagel-, Stift- oder Klammerzuführungssystem einen neuen Hagel, einen neuen Stift oder eine neue Klammer in seine Schussschiene ein. Das Pendelelement hat seine höchste Geschwindigkeit dann erreicht, wenn der Treiber oben auf den Nagel, den Stift oder die Klammer aufschlägt, und die kinetische Energie im Pendelelement wird in eine Kraft umgewandelt, die zusammen mit der Kraft von der Feder und dem Motor eine Gesamtkraft bildet, die den Nagel, den Stift oder die Klammer in die Unterlage treibt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die Erfindung wie folgt angeordnet sein. Wenn die Schlagenergie vom Pendelelement nicht groß genug ist, einen langen Nagel oder eine lange Klammer in seine bzw. ihre Unterlage zu bewegen, beginnt das Pendelelement sofort mit einer neuen Rückbewegung und führt eine zweite Schlagbewegung durch, um den Nagel oder die Klammer ein zweites Mal oder möglicherweise sogar mehrmals zu schlagen.
Wenn ein langer Nagel oder eine lange Klammer nach mehrmaligen Pendelelementbewegen nicht geschlagen worden ist, kann das Werkzeug aufgeben und den Bediener darüber informieren, das ein Fehler vorliegt.
Der Linearmotor, der das Pendelelement eintreibt, besteht aus mindestens zwei elektromagnetischen Jochen aus laminiertem magnetischem Weicheisen. Die Joche sind in Abhängigkeit von dem Zeitsteuerkonzept mit dem gleichen Abstand oder mit einem variablen Abstand hintereinander angeordnet. Die Anzahl der Joche hängt von der Energieabgabe ab, die von dem betreffenden Heft- oder Klammerwerkzeug angefordert wird. Jedes Joch weist eine oder zwei elektrische Spulen auf, die über einen Leistungstransistor mit der Batterie verbunden sind. Das Joch weist zwei magnetische Pole auf, und zwischen diesen Polen bewegt sich das Pendelelement mit einem kontrollierten Luftspalt zwischen den Polen und dem Pendelelement.
Das Pendelelement weist des Weiteren mehrere laminierte magnetische Weicheisenkerne auf, die in einem konstanten Abstand voneinander beabstandet sind. Wenn ein Pendelelement-Weicheisenkern unterwegs ist, um zwischen zwei Pole in einem Joch einzutreten, öffnet sich der Leistungstransistor und Strom fließt durch die Spulen, und im Joch wird ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld fließt nun vom Nordpol im Joch über den Luftspalt durch den Eisenkern im Pendelelement, über den zweiten Luftspalt und in den Südpol des Jochs. Solange der Eisenkern im Pendelelement zwischen den Polen im Joch unterwegs ist, erzeugt das Magnetfeld in den beiden Luftspalten auf jeder Seite des Pendelelement-Eisenkerns eine Vorwärtskraft, um das Pendelelement zu bewegen. In dem Moment, in dem der Pendelelement-Eisenkern auf die Polflächen im Joch ausgerichtet ist, schließt sich der Leistungstransistor und es findet keine Magnetfelderregung mehr im Joch statt.
Wenn der Motor zum Beispiel vier Joche mit der Bezeichnung A, B, C und D aufweist, ist die Zeitsteuerung der Joche A/D, A/B, B/C, und C/D, und danach wird die Zeitsteuerung wiederholt. Wenn der Abstand der Joche und der Eisenkerne im Pendelelement und die Zeitsteuerung richtig sind, werden ungefähr 50% aller Joche aktiviert, um eine Vorwärtskraft am Pendelelement zu erzeugen.
Das Pendelelement kann als eine lange, runde oder rechteckige Stange mit laminierten magnetischen Weicheisenkernen mit ungefähr derselben Breite wie die Breite der Polflächen ausgeführt sein.
Eine alternative Ausführungsform kann Permanentmagneten im Pendelelement statt laminierter, magnetischer Weicheisenkerne verwenden. Wenn Permanentmagneten verwendet werden, ist es möglich, bis zu 100% der Joche gleichzeitig zu verwenden, wenn die Treibertransistoren für die Spulen am Joch den Strom in beiden Richtungen durch die Spule treiben können. Wenn die Stromrichtung die Nord- und Südpole im Joch abwechseln kann, wird durch dieses Abwechseln der Pendelelementmagnet in den Luftspalt gezogen und der Pendelelementmagnet wird aus dem Luftspalt gedrückt.
Der Abstand dieser magnetischen Weicheisenkerne muss eine Beziehung zum Abstand zwischen den Jochen aufweisen, um zu erreichen, dass während einer Pendelelementbewegung ein Optimum an Jochen aktiviert wird. Das Pendelelement wird in einem Lagersystem mit hoher Genauigkeit bezüglich der Joche geführt, um den ordnungsgemäßen Luftspalt zwischen den Eisenkernen im Pendelelement und den Polflächen in den Jochen aufrechtzuerhalten, ein typischer Luftspalt muss zwischen 0,05 und 0,1 mm betragen. Die Feder im Pendelelement kann teilweise im Pendelelement und teilweise durch eine Führungsstange im Werkzeuggehäuse geführt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Pendelelements befindet sich eine kleine rechteckige, gehärtete Stahlstange in Form eines angeordneten Treibers, der dort in die Schussschiene geführt wird, wo sich ein Nagel, ein Stift oder eine Klammer befinden, um auf den Nagel, den Stift oder die Klammer zu schlagen. Der Treiber ist durch irgendein stoßdämpfendes Material am Pendelelement befestigt, um die Schlagstöße zu verringern.
Am Pendelelement ist eine Zeitsteuerstange angeordnet, und zwischen den Jochen befinden sich einige Sensoren, die gemäß optischer oder magnetischer Grundlage funktionieren. Die Sensoren erzeugen eines Satz elektrischer Zeitsteuerimpulse, was in Bezug zu der physischen Positionierung des Pendelelements innerhalb einer Genauigkeit von +/– 0,1 mm steht, um als Eingabe in den Mikrocomputer zu dienen.
Gemäß alternativer Ausführungsformen kann der Sensor in Form einer Lichtquelle (zum Beispiel einer LED oder eines Lasers) vorliegen, die mit einem Lichtdetektor zusammenwirkt, oder er kann in Form eines induktiven Detektors vorliegen.
Der Zweck des Mikrocomputers ist es zunächst, die Leistungstransistoren, die den Strom zu den Spulen steuern, auf Grundlage der Eingabe von den Pendelelementsensoren zu öffnen und zu schließen. Dann überprüft der Computer vorzugsweise mehrere Dinge, wie zum Beispiel, ob ein langer Nagel oder eine lange Klammer vollständig in seine bzw. ihre Unterlage gedrückt ist, oder ob eine Sekundär-Pendelelementbewegung erforderlich ist. Des Weiteren überprüft er, ob ein Nagel, ein Stift oder eine Klammer in der Schussschiene angeordnet ist, den Zustand der Batterieladung und andere Dinge. Schließlich informiert der Computer den Bediener auch über den Zustand des Werkzeugs, wenn es Zeit ist, verschiedene Aktivitäten durchzuführen, wie zum Beispiel die Batterie auszuwechseln, Nägel, Stifte oder Klammern aufzufüllen oder andere Wartungsarbeiten am Werkzeug durchzuführen.
Zur Steuerung all dieser Aktivitäten weist der Mikrocomputer ein Programm auf, das sich in einem Speicher befindet. Das Programm kann aktualisiert oder geändert werden, indem ein Memorystick ausgetauscht wird, wodurch es möglich wird, den Charakter des Werkzeugs zu ändern, wenn das Zuführungssystem von der Zuführung von Nägeln zur Zuführung von Klammern ausgetauscht oder wenn irgendein anderer Wechsel durchgeführt wird. Des Weiteren kann das Programm in Abhängigkeit von der Unterlage, für die das Werkzeug verwendet werden soll, aktualisiert werden.
Der Bediener kann durch eine Anzeige oder durch ein Toninformationssystem im Werkzeug über Informationen vom Programm informiert werden.
Um einen Nagel, einen Stift oder eine Klammer in seine bzw. ihre Unterlage zu drücken, ist Energie erforderlich, und diese Energie stammt von einer Batterie, die am Heft- oder Klammerwerkzeug befestigt ist. Des Weiteren ist die Batterie die Energiequelle für den Mikrocomputer und die Sensoren.
Die Batterie kann eine Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Eisen- oder Lithium-Polymer-Art sein. Die beiden wichtigsten Batterieparameter sind hoher Leistungsgehalt pro Gramm Gewicht und hohe Stromabgabe in der Pendelelementbewegung. Die Batterie wird wiederaufladbar und leicht austauschbar sein. Der Energiegehalt in einer normalen Batterie erfüllt mehrere tausend Aufschläge, bevor es Zeit für ein Wiederaufladen ist.
Der Ausgang der Batterie kann auch mit einem Kondensator parallelgeschaltet sein, um die Batterie vor einer Beschädigung vor hoher Stromabgabe während eines Pendelelementbewegungsvorgangs zu schützen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche variieren. Zum Beispiel kann die Erfindung mit einer Batterie, die wiederaufladbar ist, oder mittels einer herkömmlichen Energiequelle mit einem Kabel, das in eine Stromsteckdose, zum Beispiel mit einer Spannung von 110 oder 220 V, gesteckt werden soll, verwendet werden.

Claims

Elektrisch angetriebenes Werkzeug für Befestigungselemente und aufweisend: ein mit einem Treiber (13) verbundenes sich bewegendes Pendelelement (10), und einen Betätigungsmotor mit wenigstens zwei mit dem Pendelelement (10) zusammenarbeitenden elektromagnetischen Jochanordnungen (8, 9), welches für eine Verschiebung in Bezug zu den Jochanordnungen (8, 9) eingerichtet ist, wobei jede Jochanordnung (8, 9) elektrische Spulen (15) aufweist, die zum Erzeugen eines Magnetfeldes durch das Pendelelement (10) eingerichtet sind, und eine Steuereinheit, welche den Strom in den Spulen (15) steuert, um ein Magnetfeld derart zu erzeugen, dass eine Kraft zum Verschieben des Pendelelementes (10) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Jochanordnungen (8, 9) für die Erzeugung eines Magnetfeldes eingerichtet sind, welches im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Pendelelementes (10) gerichtet ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelelement (10) eine Anzahl in Abstand angeordneter Eisenkerne (12) aufweist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelelement (10) so eingerichtet ist, dass es sich zwischen den Polflächen (19) aller Jochanordnungen (8, 9) bewegt.
Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelelement (10) für eine Führung durch ein Lagerungssystem eingerichtet ist, um einen vorbestimmten Luftspalt zwischen den Eisenkernen (12) und den Polflächen (19) der Jochanordnungen einzuhalten.
Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelelement (10) einen Treiberstift (13) besitzt, der in einem Ende des Pendelelementes angebracht ist, um auf den Kopf oder die Oberseite des Befestigungselementes zu schlagen, um es in seine Unterlage zu treiben.
Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelelement (10) eine Feder (14) aufweist, die sich wenigstens teilweise innerhalb des Pendelelementes (10) befindet und kinetische Energie aus der Rückwärtsbewegung des Pendelelementes (10) aufnimmt.
Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelelement (10) dafür eingerichtet ist, sich rückwärts zu bewegen und die Feder (14) zu komprimieren und sich mit Hilfe sowohl der Federkräfte als auch der Magnetkräfte aus dem Motor vorwärts zu bewegen.
Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelelement (10) dafür eingerichtet ist, sich mehrere Male rückwärts und vorwärts zu bewegen und bei jeder Pendelelementbewegung in einem gewissen Grad auf das Befestigungselement schlägt.
Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Sensorvorrichtung aufweist, um die Position des Pendelelementes (10) und auf die Position bezogene Vorwärtsinformation für die Steuereinheit zu erfassen.
Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in der Form eines Mikrocomputers vorliegt, um die Information aus den Sensoren dergestalt zu verarbeiten, dass die Steuereinheit einen Stromfluss zu den Spulen (15) in den Jochanordnungen (16) initiieren und das Magnetfeld erzeugen kann, welches die Kraft zum Vorwärtsbewegen des Pendelelementes erzeugt.
Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dafür eingerichtet ist, den Auslösezeitpunkt für jede einzelne magnetische Jochanordnung (8, 9) zu ermitteln und die Anzahl von Schlägen zu verfolgen und ob sich ein Befestigungselement vor einem Schlag in der richtigen Position befindet.
Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Batterie (1) aufweist, welche die Spulen (15) auf den Jochanordnungen (16) mit Energie versorgt.
Werkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie in einer getrennten Ladeeinheit wieder aufladbar ist und durch eine wieder aufgeladene Batterie ersetzt werden kann.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Sensor für die in der Batterie (1) verbliebene Energiemenge aufweist, um den Bediener rechtzeitig auf das Auswechseln der Batterie gegen eine neue oder wieder aufgeladene Batterie aufmerksam zu machen.
Werkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Zuführungskassette (5) für Befestigungselemente, wie zum Beispiel Nägel, Stifte oder Klammern aufweist, um einen Nagel, Stift oder eine Klammer rechtzeitig in Position in der Schussschiene (6) vor dem an dem Pendelelement (10) angebrachten Treiber (13) zu bringen, um den Nagel, den Stift oder die Klammer in einer geführten Weise in die Unterlage zu treiben.