DE69511295T2

DE69511295T2 - Motorregelung

Info

Publication number: DE69511295T2
Application number: DE69511295T
Authority: DE
Inventors: Erick D. Hunter
Original assignee: SENCORP NEWPORT
Current assignee: SENCORP NEWPORT
Priority date: 1994-01-05
Filing date: 1995-01-05
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2015-01-06
Also published as: TW332353B; BR9500028A; AU1005995A; EP0662750B1; CN1045701C; AU704374B2; DE69511295D1; CN1115134A; KR950031392A; CA2138916A1; CO4600718A1; EP0662750A1; US5495161A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung elektrischer Motoren. Während die Erfindung viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten hat, wird sie im folgenden aus Gründen der Klarheit anhand der Verwendung zur Steuerung eines Motors beschrieben, der zum Antrieb des Schwungrades eines Befestigungsanbringungswerkzeugs (fastener applying tool) angebracht ist. Die Beschreibung erfolgt nur als Beispiel, und es ist offensichtlich, daß die Erfindung viele unterschiedliche Verwendungen und Anwendungen bei, der Motorsteuerung hat.
In der Vergangenheit war es üblich, wenn relativ große Energiepulse zum Betreiben eines Befestigungsantriebswerkzeugs (wie etwa eines Bolzenschießgerätes oder eines Bürohefters), beispielsweise zum Rahmen, solche Werkzeuge pneumatisch zu treiben. Pneumatische Befestigungstreiberwerkzeuge, die einen Kompressor vor Ort benötigen, sind bekannt. Solche Werkzeuge sind in der Lage, einen Nagel oder eine Heftklammer mit einer Länge von 3" oder mehr in einen Holzrahmen, beispielsweise 2 · 4, zu treiben.
Elektrische Treiberwerkzeuge, wie spulenbetätigte Befestigungstreiberwerkzeuge, sind ebenfalls bekannt. Diese wurden in erster Linie bei Anwendungen mit leichterer Belastung zum Treiben von ein Zoll langen Stiftnägeln, anstatt von größeren 2" bis 4" Heftklammern oder Nägeln beim Rahmen, verwendet.
Beachtlicher Aufwand und Anstrengungen wurden unternommen, um ein Befestigungsantriebswerkzeug für hohe Last, nämlich mit hoher Leistung, zu schaffen, ohne auf einen Kompressor zurückzugreifen. Ein anderer Ansatz ist das Verwenden von Schwungrädern als Mittel, um hinreichend kinetische Energie zum Treiben eines Befestigungsantriebs für hohe Last zu schaffen. Beispiele für solche Systeme sind in den US-Patenten US-A-4,042,036; US-A-4,121,745; US-A-4,204,622; US- A-4,298,072 und US-A-4,348,625 und in dem britischen Patent Nr. 2,000,716 offenbart. US-A-4,348,625 stellt ein elektronisches System zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Spaltpol-Einzelphasen-Induktionsmotors bereit, wobei eine erhöhte Leistung während des Geschwindigkeitsanstiegs geliefert und automatisch während der Verlangsamung gebremst wird, indem ein halbwellen-gleichgerichtete Bremsstrom an den Motor angelegt wird.
Während eine beachtliche Zeit auf die Entwicklung von schwungradbetriebenen Befestigungsvorrichtungen zum Antrieb von Werkzeugen verwendet wurden, zeigen diese Werkzeuge weiterhin ihre eigenen Probleme. Beispielsweise war es bei Werkzeugen mit zwei Schwungrädern üblich, einen getrennten elektrischen Motor für jedes Schwungrad vorzusehen. Die zwei Motoren verliehen dem Werkzeug ein beachtliches Gewicht und Größe und waren schwierig zu synchronisieren. Ein anderer Ansatz ist es, ein Schwungrad auf der Welle des elektrischen Motors zu lagern und dann das zweite Schwungrad mittels einer Reihe von Riemen oder Ketten und Riemenscheiben zu treiben. Solche Antriebe waren komplex, schwierig einzustellen und unterlagen der Abnutzung.
Ein weiteres Problemgebiet bei solchen Werkzeugen betraf die Vorrichtung, um eines der Schwungräder zu veranlassen, sich hin und weg von dem anderen zu bewegen. Vorzugsweise wurde beispielsweise ein bewegliches Schwungrad in eine Betriebsposition mit einem benachbarten Schwungrad gehoben, wobei der Rand vom Rand des stationären Schwungrades um einen Abstand kleiner als die Nominaldicke des dicken Teils des Treibers beabstandet war, um so den Treiber zwischen den zwei Rädern zu stanzen und zu stoßen. Das bewegliche Schwungrad wird dann in die entgegengesetzte Richtung in eine Außerbetriebsposition verschoben, in der sein Rand von jenem des festen Schwungrads um einen Abstand beabstandet ist, der größer als die größte Nominaldicke des Treibers ist, so daß der Treiber für einen weiteren Hub zurückkehren kann. Bisher waren Systeme, um dieses Verschieben eines der Schwungräder in bezug auf das andere zu bewerkstelligen, schwierig, komplex und insgesamt nicht zufriedenstellend.
Ein weiteres Gebiet im Zusammenhang mit diesen Werkzeugen betrifft die Mittel, um den Treiber in seine normale, zurückgezogene Position am Ende des Treiberhubs zurückzuführen. Komplexe Systeme aus Federn, Riemenscheiben und elastomeren Schnüren wurden entwickelt. Solche Systeme haben gezeigt, daß sie dem Verschleiß, der Dehnung und der Verschlechterung aufgrund von Belastungen und Schmiermitteln und fremder Materialien innerhalb des Werkzeuggehäuses unterliegen. Wenn eine Feder verwendet wird, war das Ausmaß des Hubs oder der Bewegung zu groß, und die Feder versagte früh, wobei ein Ersatz benötigt wird. Andere Systeme verwendeten eine getriebene Rückführrolle und eine Leerlaufrolle, die einen frei laufenden Treiber in seine normale Position nach dem Treiberhub zurückbrachten. Diese Systeme waren nicht zufriedenstellend.
Zusätzlich zu diesen Aspekten bringt die Natur der Anwendung solcher Werkzeuge weitere Probleme, wenn die Anwendung von Schwungrädern die Energievorrichtungen betrachtet wird. Insbesondere, wenn ein schwungradbetriebenes Werkzeug aus gelöst wird oder einen Zyklus durchläuft (fired or cycled), wird Energie von dem Schwungrad auf den Befestigungsmitteltreiber oder beispielsweise die Ramme übertragen, um das Befestigungsmittel zu treiben. Im Ergebnis wird das Schwungrad mit einer Geschwindigkeit gedreht, die ein hinreichendes Drehmoment liefert, so daß bei dem Koppeln mit dem Befestigungsmitteltreiber genügend Leistung zur Verfügung steht, um ein langes Rahmenbefestigungsmittel in ein Ziel zu treiben. Beispielsweise ist ein typisches Rahmenbefestigungsmittel etwa 31/2" bis 4" lang und kann bis zu 50 PS benötigen, um über die gesamte Länge in Holz getrieben zu werden.
Wenn ein Schwungrad zum Treiben eines Befestigungsmittels verwendet wird, ergibt sich die Energie ersichtlich aus der Verringerung der gewünschten Anfangs- oder Startschwungradgeschwindigkeit. Diese gewünschte oder Anfangsgeschwindigkeit muß wieder hergestellt werden, bevor ein Befestigungsmitteltreibervorgang mit derselben Leistung wiederholt werden kann. Die Zeitintervalle, die zum Beschleunigen des Schwungrads zurück auf die gewünschte oder eingestellte Geschwindigkeit benötigt werden, können jedoch weit hinter der Frequenz zurückliegen, mit der der Benutzer wünscht, ein weiteres Befestigungsmittel zu setzen. Anders gesagt, die physikalischen Beschränkungen der bekannten Schwungradenergiesysteme bei solchen Werkzeugen beschränken die Frequenz oder die Wiederholungsrate, mit der sie verwendet werden können.
Ein Schwungradenergiesystem kann ausgestaltet sein, um mehrere Energieimpulse mit ähnlicher Leistung, aber mit wachsenden Zeitlängenabständen zu liefern, während das Rad abbremst, aber dieser Betrieb ist aus praktischer Sicht schwierig zu steuern. Es ist somit wünschenswert, ein schwungradbetriebenes Werkzeug zu schaffen, bei dem ein Schwungrad sehr schnell und innerhalb des Zeitintervalls, das bei den normalen Verwendungsfrequenzen benötigt wird, auf die gewünschte oder Anfangsgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Eine weitere Betrachtung ist, daß die gewünschte Geschwindigkeit, auf die das Schwungrad zu beschleunigen ist, wiederholt und konsistent wieder hergestellt und genau geregelt wird. Überschwingen, Unterschwingen oder Verschieben der gewünschten Geschwindigkeit führt zu zu starkem oder zu schwachem Befestigungsvorrichtungsantrieb, was das Befestigungsmittel entweder zu tief oder nicht tief genug eintreibt.
Ein weiterer Gesichtspunkt beim Befestigungsmitteltrieb ist die Änderung sowohl der Länge als auch der Konfiguration des Befestigungsmittels und die Änderung des Materials, in das das Befestigungsmittel getrieben wird. Es ist wünschenswert, daß Befestigungsmitteltreiberwerkzeuge für hohe Last zur Handhabung solcher Änderungen eingestellt werden und gleichzeitig in der Lage sind, schnell und konsistent einen Befestigungsmitteltreibervorgang innerhalb des gewählten Betriebsbereichs durchzuführen.
Genauer gesagt, bei den gegebenen mechanischen und Abmessungsspezifikationen des Schwungrades und in Kenntnis der Treiberkräfte, die von dem Werkzeug angelegt werden müssen, kann der Bereich der benötigten Winkelgeschwindigkeiten des Schwungrades bestimmt werden. Um die nötige Konsistenz und Wiederholbarkeit der Treiberwirkung zu erzielen, ohne das Befestigungsmittel zu tief oder nicht tief genug zu treiben, muß die Geschwindigkeit des mit dem Schwungrad verbundenen elektrischen Motors innerhalb von ± 1% geregelt werden. Ein typischer wählbarer Bereich der Winkelgeschwindigkeiten des Motors, der für den Bereich der Treiberkräfte benötigt ist, liegt zwischen 7.000 Umdrehungen pro Minute (rpm; revolutions per minute) bis 15.000 rpm, wenn er im Zusammenhang mit Schwungrädern mit beispielsweise einem Gewicht von 0,87 Pfund und einem Drehmoment von 4,016 · 10&sup4; ft.-lbs.sec² verwendet wird. Wenn des weiteren das Werkzeug ein Befestigungsmittel treibt, wird kinetische Energie abgegeben und die Geschwindigkeit des Schwungrades verringert. Der Motor muß innerhalb von 500 Millisekunden zurück auf die gewählte Geschwindigkeit beschleunigen, und es ist auch nötig, daß der Motor und seine Steuerung unabhängig gegen eine Umgebung mit viel Rauschen sind, beispielsweise kann sowohl Strahlungs- als auch Stromleitungsrauschen durch andere Hochleistungsausrüstung und Bürstenrauschen innerhalb des Motors selbst erzeugt werden. Zusätzlich wird das Antriebswerkzeug oft in Umgebungen mit vorübergehenden Leistungsspitzen verwendet, in denen signifikante Spannungsfluktuationen häufig und ausgeprägt sind. Der Motor und seine Steuerung müssen minimales Gewicht und niedrige Kosten haben, um kommerziell für ein tragbares handgehaltenes Werkzeug einsetzbar zu sein.
Es ist bekannt, daß es gegenwärtig viele Motorgeschwindigkeitssteuerungen für verschiedene Arten von Motoren gibt. Beispielsweise ist Motorola TDA 1085C ein integriertes Schaltungselement, das eine Universal-Motorgeschwindigkeitssteuerung schafft, die eine Triac-Phasenwinkelsteuerung mit einer Spannungsvergleichergeschwindigkeits- Rückkopplungsschleife verwendet. Es gibt viele Bezüge auf Motorgeschwindigkeitssteuerungen, die Phasenregelschleifen verwenden, primär um bürstenlose Gleichstrommotoren zu steuern. Die Theorie und Möglichkeit der Verwendung einer Phasenregelschleife bei der Steuerung eines Universalgleichstrom-/Wechselstrommotors angesichts der Phasenwinkelsteuerung ist auch bekannt. Des weiteren gibt es eine Vielzahl transportierbarer, handgehaltener Werkzeuge, in denen die Geschwindigkeiten wählbar sind. Jedoch haben diese Systeme typischerweise offene Schleifen und benötigen keine präzise geschlossene Schleifengeschwindigkeits steuerung. Solche Offenschleifen-Geschwindigkeitssteuersysteme können erhalten werden, indem die Leistung an den Motor zwischen einer Halbwellen- und Vollwellenstromzufuhr geschaltet wird oder indem ausgewählte Motorspulen in und aus der Schaltung geschaltet werden oder durch mechanische Übersetzungen. Des weiteren modulieren tragbare, handgehaltene Werkzeuge, die über Batterie versorgt werden, typischerweise die Pulsbreite des Stroms an einen Permanentmagnetfeld-Spulenmotor.
Keine der bekannten Schaltungen ist in der Lage, eine Geschwindigkeitssteuerung für einen Universalwechselstrom- /Gleichstrommotor zu schaffen, der in einer handgehaltenen tragbaren Vorrichtung mit dem Geschwindigkeitsbereich, der Präzision und den Anspruchszeitanforderungen der Erfindung verwendet werden kann.
Dementsprechend war bisher in der Industrie kein zuverlässiges, leichtes und relativ einfaches elektromechanisches Befestigungsantriebswerkzeug vorhanden, das effektiv, konsistent und wiederholt Befestigungsmittel verschiedener Größen und insbesondere jener Größen, die bei Rahmenanwendungen mit hoher Last benötigt werden, treiben kann.
Eine weitere Betrachtung bei elektrischen Werkzeugen, insbesondere bei schwungradbetriebenen oder anderen Handwerkzeugen, sind das Gewicht und die Kosten der Treibereinheit. Motoren und ausgefallene Geschwindigkeitssteuerungen können sehr schwer und teuer sein. Es ist somit wünschenswert, Befestigungsantriebswerkzeuge oder Treibereinheiten für Werkzeuge, Arbeitsgeräte oder andere Vorrichtungen zu schaffen, mit relativ leichten geschwindigkeitsgesteuerten Motoren bei relativ niedrigen Kosten.
Bei handgehaltenen oder handbetätigten Werkzeugen ist es nicht nur wünschenswert, eine relativ leichte Energiequelle zu liefern, sondern auch ein Werkzeug oder ein Arbeitsgerät zu schaffen, das ausbalanciert ist. Bei den oben genannten bekannten Anmeldungen wurde ein Befestigungsantriebswerkzeug durch ein Schwungrad getrieben, das von einem Motor angetrieben wurde, wobei sowohl das Schwungrad als auch der Motor am vorderen Ende des Werkzeugs angeordnet waren. Der Schwerpunkt einer solchen Vorrichtung liegt vorne, und es ist schwierig, dieses Werkzeug auszubalancieren. Andererseits erfordert das Entfernen des Motors von dem Schwungrad eine Kupplung oder einen ausgedehnten Antrieb, was das Werkzeuggewicht erhöht und effektive Leistung vermindert. Dies kann einen großen Motor erfordern, was mit entsprechender Gewichtszunahme verbunden ist. Es ist somit wünschenswert, ein verbessertes, gut ausbalanciertes handgehaltenes Befestigungsantriebswerkzeug und eine Treibereinheit zu schaffen, die das Ausbalancieren solcher handgehaltener Werkzeuge erleichtern.
Während die aufgeführten Gesichtspunkte wichtig bei Befestigungswerkzeugen und ihren speziellen Anwendungen sind, wird der Betrieb vieler Werkzeuge, Arbeitsgeräte und Vorrichtungen die Anwendung einer Bewegungskraft oder Energiepulses auf ein Arbeitselement erfordern. Viele solcher Vorrichtungen benötigen nur eine kurze oder begrenzte Bewegung eines solchen Arbeitsgeräts oder Elements, um ihre Aufgabe zu erfüllen. Gegenwärtig werden außer mit Schwungrad oder pneumatischen Systemen, wie es vorangehend erwähnt wurde, solche Vorrichtungen elektrisch oder hydraulisch durch Motoren oder Spulen getrieben, beispielsweise durch Verbrennungskraftvorrichtungen, Federn oder andere Vorrichtungen. Beispiel für andere Vorrichtungen außer Befestigungsantriebswerkzeugen, die verschiedene Energiequellen benötigen oder verwenden, um ein Arbeitselement zu bewegen, sind: Papierlocher, diverse Materiallocher, Scheren, Schneider, Gartenscheren, Schraubenschlüssel, Heftmaschinen, Nietvorrichtungen, Feinstmahlanlagen, Erdhämmer, Belüfter, Gleit bremsen, Meißel, Materialhandhabungsvorrichtungen, Hämmer, Schlagbohrer, Pressen, Pumpen, Prägevorrichtungen, Klammern und Werkzeuge oder Arbeitsgeräte für viele andere Anwendungen. Es ist wünschenswert, einen verbesserten Antrieb oder Leistungseinheit für solche Werkzeuge zu schaffen.
Ein Gegenstand der Erfindung ist es, eine preiswerte, zuverlässige und leichte Motorsteuerung zu schaffen, die eine genaue Geschwindigkeitssteuerung für Motoren schafft.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Motorsteuerung zu schaffen, die einen weiten Bereich für Motorgeschwindigkeiten, die von einem Benutzer wählbar sind, und die Fähigkeit zur automatischen und wiederholten Rückbeschleunigung auf eine gewünschte Geschwindigkeit nach einem Geschwindigkeitsverlust, der durch Anwenden einer Last an den Motor verursacht wird, hat.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum Zuführen eines Energiepulses an ein arbeitendes Element zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine verbesserte Vorrichtung zu schaffen, um einen Energiepuls von einem Schwungrad an einem Befestigungsmitteltreiber oder an das Arbeitselement eines Werkzeugs oder Arbeitsgeräts zu liefern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine sich bewegende Vorrichtung und eine Steuerung für diese zu schaffen, um ein Schwungrad mit einer ausgewählten Geschwindigkeit zu treiben und um die Geschwindigkeit schnell wieder herzustellen, nachdem die Geschwindigkeit verringert wurde.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten schwungradbetriebenen Befestigungsmitteltreiber zu schaffen, der in der Lage ist, die gewünschten Energiepulse zu gewünschten Zyklusfrequenzen zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes tragbares handgehaltenes Leistungswerkzeug zu schaffen.
Dementsprechend schafft die Erfindung eine Geschwindigkeitssteuerung für eine Motorsteuerung, die mit einem über ein Wechselstromsignal von einer Wechselstromsignalquelle versorgten Wechselstrom/Gleichstrom-Universalmotor verbunden ist, wobei die Geschwindigkeitssteuerung einen zwischen der Wechselstromversorgungsquelle und dem Motor geschalteten Triac-Leistungsschalter aufweist, wobei der Triac-Leistungsschalter einen Auslösereingang enthält, um das Anlegen des Wechselstromsignals an den Motor zu steuern, und wobei die Geschwindigkeitssteuerung von dem Wechselstromsignal abhängt, um iterativ mit Nulldurchgängen des Wechselstromsignals synchronisierte Rampensignale zu initiieren, wobei jedes Rampensignal eine Dauer in etwa gleich der Dauer zwischen den Nulldurchgängen des Wechselstromsignals hat, wobei die Geschwindigkeitssteuerung des weiteren umfaßt:
eine Geschwindigkeitsbefehlsschaltung, um wahlweise eines einer Anzahl Geschwindigkeitsbefehlssignale zu liefern, das eine Bezugsfrequenz hat, welche eine einer Anzahl ausführbarer gewünschten Geschwindigkeit des Motors entspricht;
eine Rückkopplungsschaltung, die von der Rotation des Motors abhängt und ein Rückkopplungssignal mit einer Rückkopplungsfrequenz erzeugt, welches eine tatsächliche Geschwindigkeit des Motors darstellt;
einem Phasendetektor, der von dem einen der Anzahl Geschwindigkeitssignale und von dem Rückkopplungssignal abhängt, um ein Phasenfehlersignal mit einem Arbeitszyklus zu erzeugen, der proportional zu einer Phasendifferenz zwischen der Bezugs- und Rückkopplungsfrequenz ist;
eine Diodenbrückenschaltung mit Widerstandsmitteln und Kapazitätsmitteln, um einen von dem Phasenfehlersignal abhängigen Gleichspannungspegel zu erzeugen;
ein Tiefpaßfilter, das von dem Gleichspannungssignal der Diodenbrückenschaltung abhängt, um ein mittleres Phasenfehlersignal zu erzeugen;
und eine Vergleicherschaltung, die mit dem Auslösereingang des Triac-Leistungsschalters verbunden ist und von dem Rampensignal und dem das mittlere Phasenfehlersignal darstellenden Signal abhängt, um Auslöserpulse zu erzeugen, wobei die Auslöserpulse als eine Funktion einer Phasendifferenz zwischen der Bezugsfrequenz und der Rückkopplungsfrequenz gebildet sind, wodurch durch Schalten des Triac-Leistungsschalters mit den Auslöserpulsen das Wechselstromsignal an den Motor als eine Funktion der Frequenzdifferenz angelegt wird, wodurch verursacht wird, daß die tatsächliche Motorgeschwindigkeit in etwa gleich der gewünschten Motorgeschwindigkeit ist.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform enthält eine Leistungs- oder Treibereinheit, die im Betrieb in einem Befestigungsmitteltreiberwerkzeug enthalten ist. Ein Schwungrad ist in einem Werkzeuggehäuse angebracht, und eine Kurbel erstreckt sich aus dem Gehäuse nach hinten mit einem Motor zum Antrieb des Schwungrads, der an dem entfernten Ende des Gehäuses angebracht ist. Eine Antriebswelle, die mit dem Motor verbunden ist, hat ein Ritzel mit einer Schrägzahn-Ritzelverzahnung, die mit einem ähnlichen Ritzel auf dem Schwungrad in Eingriff steht. Das Motorgewicht in dem rückwärtigen Ende des Griffs neigt zum Ausbalancieren des Werkzeuggehäuses und seiner Komponenten, so daß sich das ganze Werkzeug ausbalanciert anfühlt.
Eine Trommel ist in dem Gehäuse angebracht. Sie enthält eine erste Umfangsoberfläche. Ein erstes Antriebskabel ist an der Trommel befestigt, um so um die Oberfläche gewickelt zu werden, wenn die Trommel rotiert. Eine Kegelkupplung wird verwendet, um selektiv und intermittent das Schwungrad mit der Trommel zu verbinden, um der Trommel einen Energiepuls zu verpassen, um diese zu drehen und um das Kabel um die Trommel zu wickeln. Das andere Ende des Kabels ist mit dem Befestigungsmitteltreiber verbunden. Wenn die Trommel rotiert, wird das Kabel auf die Trommel aufgewickelt und zieht den Treiber, um das Befestigungsmittel einzugreifen und zu treiben. Die in dem Schwungrad gespeicherte Energie wird so über die Trommel, das Kabel und den Befestigungsmitteltreiber an das Befestigungsmittel geliefert.
Eine weitere oder zweite Umfangsoberfläche mit einem Durchmesser, der vorzugsweise kleiner als jener der ersten Umfangsoberfläche ist, ist operativ an der Trommel befestigt. Ein zweites oder Rückführkabel ist an der zweiten Oberfläche angebracht und wird um diese gewickelt, wenn die Trommel durch das Schwungrad rotiert wird. Das andere Ende des zweiten Rückführkabels ist an einer Wendelfeder befestigt, die komprimiert wird, wenn das Rückführkabel aufgewickelt wird. Nachdem die Kupplung die Trommel außer Eingriff mit dem Schwungrad bringt, dehnt sich die Feder aus, um das zweite Rückführkabel zu spannen, wodurch die Trommel zurückgedreht wird und das erste Kabel und der Befestigungsmitteltreiber zurück in die Startposition geschoben werden. Da die Rückführkabel-Aufwickeloberfläche im Durchmesser kleiner als die Antriebskabeloberfläche ist, legt das zweite Rückführkabel keine so große Strecke wie das Antriebskabel zurück, wenn die Trommel durch das Schwungrad und die Kupplung betätigt wird. Die Federbewegung ist somit in einem Bereich gehalten, der nicht übermäßig belastet oder die Feder ermüdet, unabhängig von einem ausgiebigen Zyklusdurchlauf des Werkzeugs.
Eine auslöserbetätigte Verbindung und ein axial ausdehnbares Stellglied dienen zur Betätigung der Kupplung zur mo mentanen Verbindung des Schwungrades mit der Trommel. Das Stellglied ist in der Struktur und dem Betrieb ähnlich der bekannten Anwendung, die durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
Ein relativ einfacher und preiswerter Wechselstrom- /Gleichstrommotor wird verwendet. Eine Steuerung betätigt den Motor in einer ausgewählten Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Befestigungsmittellänge und Konfiguration und von Zielparametern. Die Steuerung dient zur Beschleunigung des Motors und des Schwungrades zurück zu seiner ursprünglichen Geschwindigkeit mit nur sehr kurzer Zeitverzögerung von etwa 500 Millisekunden, was gut innerhalb der Zeitspanne der gewünschten Benutzungsfrequenz liegt.
Die Geschwindigkeit des Universalwechselstrom- /Gleichstrommotors wird gesteuert, indem der Phasenwinkel des Wechselstromsignals mit einem Triac-Leistungsschalter in Abhängigkeit von einer Motorsteuerung geschaltet wird, die eine Phasenregelschleifen-Geschwindigkeitssteuerung liefert. Der Triac-Leistungsschalter ist zwischen der Quelle für Wechselstrom und dem Motor geschaltet und hat einen Auslösereingang zur Steuerung des Anlegens des Wechselstromsignals an den Motor. Eine analoge Bezugsschaltung ist von dem Wechselstromsignal abhängig und initiiert ein Rampensignal mit jedem Nulldurchgang des Wechselstromsignals. Das Rampensignal hat eine Dauer in etwa gleich der Dauer zwischen Nulldurchgängen des Wechselstromsignals.
Eine Geschwindigkeitsbefehlsschaltung liefert ein Geschwindigkeitsbefehlssignal mit einer Bezugs- oder Referenzfrequenz, die eine von mehreren auswählbaren gewünschten Geschwindigkeiten des Motors repräsentiert. Eine Rückkopplungsschaltung hängt von der Rotation des Motors ab und erzeugt ein Rückkopplungssignal mit einer Rückkopplungsfrequenz, die die tatsächliche Geschwindigkeit des Motors dar stellt. Ein Phasendetektor erzeugt ein Fehlersignal, das die Phasendifferenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehls- und den Rückkopplungssignalen darstellt, das durch ein Tiefpaßfilter gemittelt wird. Ein Vergleicher erzeugt einen Auslöserpuls für den Triac-Leistungsschalter während jedem Auftreten des Rampensignals als eine Funktion der detektierten Phasendifferenz. Die vordere Flanke des Auslöserpulses tritt zu einem Zeitpunkt auf, in dem das Rampensignal andauert, der von der Phasendifferenz zwischen dem Bezug und den Rückkopplungsfrequenzen bestimmt ist. Der Auslöserpuls schaltet den Triac als eine Funktion der Phasendifferenz, und das Wechselstromsignal wird an den Motor angelegt, um die Phase des Geschwindigkeitsbefehls- und des Rückkopplungssignals einzurasten, wodurch die tatsächliche Motorgeschwindigkeit gleich der gewünschten Motorgeschwindigkeit beibehalten wird.
Ein Befestigungsantriebswerkzeug, das die Erfindung verkörpert, kann auch ein Befestigungsmittelmagazin enthalten, das nicht nur geneigt, sondern auch gekrümmt ist und das sich nach hinten hin zu dem Motor in dem rückwärtigen Griffende beginnend aus einer Position unterhalb des Treibers erstreckt, wobei teilweise der Handgriff umrundet und das Ausbalancieren des Werkzeugs unterstützt wird.
Die beschriebene Leistungs- oder Treibereinheit kann in verschiedenen Werkzeugen, Arbeitsgeräten oder anderen Vorrichtungen verwendet werden, um einen Energiepuls auf ein bewegliches oder Arbeitselement zu erteilen. Solch eine Einheit enthält den Motor, die Motorsteuerwelle, das Schwungrad, die Trommel, Treiber- und Rückführkabel, die Kupplungsauslöserverbindung und das Kupplungsstellglied. Wenn das Ausbalancieren und/oder die Tragbarkeit keine Rolle spielen, kann der Motor angebracht sein, um das Schwungrad direkt zu treiben. Das die Erfindung verkörpernde Handwerkzeug kann auch ein Werkzeuggehäuse, einen sich hiervon erstreckenden Griff, einen Motor am entfernten Ende des Griffs und eine Welle durch den Griff, die den Motor mit einem Schwungrad in dem Gehäuse verbindet, zusammen mit einer Steuerung zur Beschleunigung des Motors und des Schwungrads auf vorgegebenen Geschwindigkeit in einer minimalen Zeitspanne enthalten.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie eine sehr genaue Geschwindigkeitssteuerung des Motors und ein sehr schnelles Ansprechverhalten bezüglich Geschwindigkeitsabweichungen von einer ausgewählten Geschwindigkeit schafft. Ein weiterer Vorteil wird verwirklicht, da die Frequenzen des Geschwindigkeitsbefehls- und des Rückkopplungssignals weniger empfindlich gegenüber Rauschen sind. Ein weiterer Vorteil ist, daß die oben genannten Merkmale bei niedrigen Kosten, geringem Gewicht und zuverlässiger Motorsteuerung erreicht werden.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher, in denen zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines die Erfindung verkörpernden Befestigungsantriebswerkzeugs;
Fig. 2 eine Vorderansicht des Werkzeugs aus Fig. 1 im Teilquerschnitt, entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1, allgemeine aufgenommen entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht im Teilquerschnitt des Werkzeugs aus Fig. 1 aufgenommen allgemein entlang der Linie 3A-3A aus Fig. 2;
Fig. 3A eine vergrößerte Ansicht im Querschnitt der anderen Seite des Werkzeugs aus Fig. 1;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 4-4 aus Fig. 1, die das Werkzeug in einem nicht ausgelösten oder abgeschossenen Zustand zeigt;
Fig. 4A eine Querschnittsansicht ähnlich Fig. 4 entlang der Linien 4A-4A aus Fig. 1, die das Werkzeug zeigt, wobei die Kupplung gerade in Eingriff gelangt ist;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang den Linien 5-5 aus Fig. 4;
Fig. 5A eine Querschnittsansicht entlang der Linien 5A-5A aus Fig. 4A, wobei aber das Werkzeug gezeigt ist, nachdem die Kupplung in Eingriff in einem vollständig abgeschossenen Zustand ist;
Fig. 6 eine Explosionsansicht des Schwungrads, der Trommel, der Kupplung, der Stellgliedteile und der Auslöserverbindungen des Werkzeugs aus Fig. 1;
Fig. 7 eine erweiterte und vergrößerte Ansicht der Stellgliedteile des Werkzeugs aus Fig. 1;
Fig. 8A-8E Darstellungen der Betriebsabläufe der Teile des Werkzeugs aus Fig. 1, wobei der Auslöser zunächst im Eingriff steht und wobei das Arbeitskontaktelement ("WCE"; Work Contacting Element) dann in Kontakt mit dem Ziel gebracht wird, um den Zyklus des Werkzeugs zu durchlaufen;
Fig. 9A-9C Darstellungen der Betriebsabläufe der Teile des Werkzeugs aus Fig. 1, wenn das WCE zunächst in Eingriff steht und anschließend der Auslöser in Eingriff gelangt, um den Zyklus des Werkzeugs zu durchlaufen;
Fig. 10 ein schematisches Blockdiagramm der Motorsteuerung der Erfindung; und
Fig. 11 ein Schaltdiagramm, das Teile der Motorsteuerung aus Fig. 10 detaillierter zeigt.

MECHANISCHE STRUKTUR

Unter Bezug auf die Zeichnungen wird nun anhand der Figuren eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Form eines Befestigungsmitteltreiberwerkzeugs 10 zum Treiben der Befestigungsmittel, wie etwa Nägel "N" (Fig. 5A) in 2 · 4s "W" (Fig. 5A) gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform eine Motorsteuerung enthält, die mit Motoren einer Vielzahl von Werkzeugen oder Arbeitsgeräten verwendet werden kann, welche Arbeitselemente oder Teile haben, welche angetrieben werden müssen, um sich über einen Hub zu bewegen, wie etwa beispielsweise der Treiber des Werkzeugs 10. Das Werkzeug 10 enthält außerdem ein Gehäuse 11, einen Griff 12 mit einem vorderen Ende 13 und einem rückwärtigen Ende 14 und ein Magazin 15. Das Magazin 15 ist am hinteren Ende 14 des Griffs 12 angebracht und erstreckt sich zum vorderen Ende 17 des Werkzeuggehäuses 11 mit einer Auflage 19. Eine Auflage 16 dient als Stütze zum Halten des Werkzeugs in einer aufrechten Position, wenn es auf einer horizontalen Oberfläche abgestellt ist.
In Fig. 2 ist das Magazin 15 detaillierter gezeigt. Es kann gesehen werden, daß das Magazin von vorne nach hinten gekrümmt ist und daß es ebenfalls geneigt ist. Ein vorderes Ende des Magazins steht in Verbindung mit dem Nasenstück 18 des Werkzeugs mittels der Auflage 19. Das Magazin ist über diese Verbindung betreibbar, um Befestigungsmittel einzeln an eine Positions- oder Treiberstation in dem Nasenstückgebiet zuzuführen, aus der die Befestigungsmittel beim Zyklusdurchlauf oder dem Betrieb des Werkzeugs getrieben werden können. Befestigungsmittel werden aus dem Magazin nacheinander in die Treiberstation am Ende des Treibers geliefert, um sie in ein Ziel zu treiben.
Es ist ersichtlich, daß die gekrümmte Konfiguration des Magazins das Magazin nach außen um die linke Seite des Griffs 12 herum erstreckt. Der Griff kann entweder in der rechten oder in der linken Hand des Benutzers gehalten werden.
In Fig. 1 kann gesehen werden, daß ein Motor "M" am hinteren Ende 14 des Griffs 12 angeordnet und mit geeigneten Drähten, wie sie mit 20 gezeigt sind, mit einer Stromquelle verbunden bist, um den Motor laufen zu lassen. Eine Geschwindigkeitsanzeige und ein Einstellrad oder eine andere Motorgeschwindigkeitsauswahlvorrichtung sind an dem Gehäuse 11 in dem allgemeinen Bereich angeordnet, der mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet ist, so daß der Benutzer des Werkzeugs eine vorgegebene Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Länge und der Konfiguration der zu treibenden Befestigungsmittel und der Parameter des Ziels, in die diese zu treiben sind, auswählen kann.
Natürlich ist das Magazin 15 mittels einer Feder vorbelastet, um die Befestigungsmittel, wie etwa Nägel oder Klammern, nacheinander hin in die Position des Nasenstücks 18 zu treiben, um durch den Werkzeugtreiber getrieben zu werden.
Wie vorangehend erwähnt und wie detailliert noch erläutert wird, wird das Werkzeug durch ein in Fig. 1 nicht gezeigtes rotierendes Schwungrad getrieben, das von dem Motor "M" am hinteren Ende 14 des Griffs 12 getrieben wird. Eine Antriebswelle 22 ist zwischen dem Motor und dem Schwungrad verbunden, um das Schwungrad zu drehen, wenn der Motor elektrisch getrieben wird. Die Antriebswelle 22 erstreckt sich durch den Griff 12 von dem Motor "M" am hinteren Ende 14 über das vordere Ende 13 des Griffs und hin zu dem Schwungrad, das in dem Gehäuse 11 angebracht ist, wie es später beschrieben wird.
In Fig. 3 sind als Teilquerschnitt bestimmte innere Komponenten oder Teile des Werkzeugs gezeigt. Diese enthalten ein Kegelrad oder Ritzel 25, das mit dem Ende der lagergehaltenen Antriebswelle 22 verbunden ist. Das Ritzel 25 ist mit einer schrägen Zahnradverzahnung 26 ausgestattet. Das Ritzel 25 ist so angebracht, daß die Verzahnung 26 mit einer entsprechenden schrägen Zahnradverzahnung 27 auf dem Schwungrad 30 in Eingriff steht, das zur Rotation um eine Achse 31 gelagert ist. Das Werkzeug 10 enthält einen vorzugsweise mechanischen Auslöser 35, der in die Richtung des in Fig. 3 gezeigten Pfeiles heruntergedrückt werden kann, um das Werkzeug 10 zu betätigen bzw. dessen Zyklus ablaufen zu lassen. Es ist ersichtlich, daß der Motor am hinteren Ende 14 des Griffs 12, wenn er unter Strom steht, die Antriebswelle 22 und das Ritzel 25 konstant treibt, welche das Schwungrad 30 in eine Uhrzeigerrichtung, betrachtet in Fig. 3, drehen. Der Motor ist somit direkt mit dem Schwungrad verbunden.
In den Fig. 5 und 5A und wie teilweise in den Fig. 4 und 4A zu sehen ist, enthält das Werkzeug 10 des weiteren einen Befestigungsmitteltreiber 40, der zur Hin- und Herbewegung in einem vertikal angeordneten Rohr 41 am vorderen Ende des Gehäuses 11 gelagert ist. Der verlängerte Treiber 40 kann jede geeignete Form haben, wie etwa ein runder Stab oder Bolzen oder ein abgerundeter Balken mit allgemein "C"-förmigem oder "D"-förmigem Querschnitt, ähnlich dem Kopf eines zu treibenden Befestigungsmittels, oder der Befestigungsmitteltreiber 40 kann abgeflacht und rechteckig im Querschnitt sein, oder er kann jede andere geeignete Konfiguration aufweisen. Das Werkzeug enthält des weiteren einen Anschlag 43 für den Treiber 40 und die Kupplung 42 (siehe Fig. 2). Der Treiber 40 erstreckt sich von der an seinem oberen Ende angebrachten Kupplung 42.
Ein Antriebskabel 45 ist an einem oberen Ende 46 des Kabels an der Kupplung 42 befestigt. Das Kabel ist vorzugsweise ein flaches Gummi mit einer Anzahl Strängen, die in einem Kunststoff oder synthetischen Material gebunden sind. Ein solches Kabel kann von Orscheln Company, Moberly, Missouri, bezogen werden. Das andere untere Ende 47 ist an der Vorrichtung zum Antrieb des Treibers befestigt, wie es beschrieben wird.
Das Werkzeuggehäuse 11 enthält des weiteren eine Muffe 49, die eine Rückführfeder 50 aufnimmt. Ein Endstöpsel 51 ist mit dem oberen Ende der Feder 50 verbunden, und ein Rückführkabel 52 ist mit dem oberen Ende des Endstöpsels 51 verbunden. Das untere Ende 53 des Kabels 52 ist ebenfalls mit der Treibervorrichtung verbunden, um diese Vorrichtung in einen Vorauslösezustand zu bringen, wie noch beschrieben wird.
In Fig. 6 sind auf einer Achse 31 gelagert eine Anzahl Betriebsteile gezeigt. Beginnend mit dem Schwungrad 30 an der linken Seite der Fig. 6, sind in Fig. 6 ein Kegelkupplungselement 55, ein Trommelstopper 56, eine Trommel 57, eine innere Kugelplatte 58, ein Lagerkäfig 59, eine äußere Kugelplatte 60, ein Axiallager 61, eine Abstandscheibe 62, Tellerfedern 63 und ein Sperring 64 gezeigt. Während Fig. 6 diese verschiedenen Elemente in einer ausgedehnten Form zeigt, sind sie auf der Achse 31 zusammengesetzt, wie es am besten aus Fig. 4 und Fig. 4A zu sehen ist, wobei die Details der inneren und äußeren Kugelplatten 58 und 60 auch in Fig. 7 zu sehen sind.
In den Fig. 4, 4A, 6 und 7 kann gesehen werden, daß das Schwungrad 30 über die schräge Zahnradverzahnung 27 getrieben wird. Das Schwungrad hat eine kegelstumpfförmige Oberfläche 60 (Fig. 4A) zur Aufnahme der Kegelkupplung 55 und ist auf einer Achse 67 mittels der Lager 68 zur freien Rotation um die Achse 31 gelagert. Die Kegelkupplung enthält eine kegelstumpfförmige Oberfläche 70, mit Reibungskupplungsmaterial 71 auf der Oberfläche. Wenn die Kegelkupplung 51 gegen das Schwungrad 30 gepreßt wird, greift das Reibungsmaterial 71 in die Oberfläche 66 des Schwungrads ein, so daß das Schwungrad die Kegelkupplung treibt bzw. dreht.
Wie möglicherweise am besten aus den Fig. 4 und 4A zu sehen ist, enthält die innere Kugelplatte 58 einen rohrförmigen Vorsprung 73, der mit Keilwellennuten 74 versehen ist (Fig. 6). Dieser Vorsprung 73 mit seiner inneren Kugelplatte 78 ist mit seiner inneren Kugelplatte 58 auf der Achse 67 zur Rotation in bezug auf diese mittels einer Muffe 75 gelagert. Die Kegelkupplung 55 ist mit einer Anzahl interner Keilnuten 76 ausgestattet, die mit den Keilnuten 74 der inneren Kugelplatte 58 in Eingriff stehen, so daß die Kegelkupplung 55 über den Vorsprung 73 in einer nicht rotierenden Beziehung in bezug auf diese gehalten ist. Die Kegelkupplung 55 wird auf dem Vorsprung 73 mittels eines Segerrings 77 gehalten. Eine Feder 79 ist auf einer Achse 67 zwischen der Muffe 75 und der inneren Kugelplatte 58 an einem Ende und einem Segerring oder Rückhalter 80 am anderen Ende gelagert, so daß die Kegelkupplung 55 und die innere Kugelplatte 58 in Axialrichtung entlang der Achse 31 durch die Feder 79 weg von dem Schwungrad 30 vorgespannt sind. Die Trommel 57 enthält interne Keilnuten 81 und ist ebenfalls auf den Keilnuten 74 des Vorsprungs 73 gelagert, der sich von der inneren Kugelplatte 58 erstreckt, um mit dieser zu rotieren. Die Trommel 57 enthält eine Umkreiskabelaufnahme- oder -aufwickeloberfläche 82 zur Aufnahme des Antriebskabels 45.
Die innere Kugelplatte 58 ist außerdem mit einem Vorsprung oder einer Anschlußfläche 85 ausgestattet, die eine Kreis- bzw. Zylinderoberfläche 86 zur Aufnahme und Aufwickeln eines Rückführkabels 52 festlegt. Der Durchmesser und der Umfang der zylindrischen Aufwickeloberfläche 86 sind kleiner als jener der Aufwickeloberfläche 82.
Es kann somit aus der bisherigen Beschreibung gesehen werden, daß, wenn die Kegelkupplung 55 durch das Schwungrad 30 gedreht wird, ihr Eingriff auch die innere Kugelplatte 58 und die Trommel 57 treibt, wodurch das Kabel 45 auf der Aufwickeloberfläche 82 der Trommel 57 aufgewickelt wird und wobei das Kabel 52 auf der Oberfläche 86 der inneren Kugelplatte 58 aufgewickelt wird.
Wie in den Fig. 4 und 4A und des weiteren in Fig. 7 gezeigt ist, sind Kugellager 88 in Taschen 89, 90 und 91 der inneren Kugelplatte 58 und der entsprechenden Taschen 92, 93 und 94 der äußeren Kugelplatte 60 enthalten. Natürlich ist aufgrund der Querschnittsart der Zeichnungen und aus Gründen der Klarheit nur eine Kugel in jeder der Fig. 4 und 4A gezeigt. Wie aus Fig. 7 zu sehen ist, hat jede der Taschen 89, 90 und 91 jeweils eine nachlaufende Rampe 95, 96, 97, die jeweils hin zu einer jeweiligen Überlaufoberfläche (race surface) 89, 99, 100 ansteigen. Wie in Fig. 7 zu sehen ist, haben die Taschen 92-94 der äußeren Kugelplatte 60 ebenfalls zugehörige Rampen 101, 102 und 103, die nach unten von dem Boden der Taschen zu jeweiligen Überläufen 104, 105 und 106 geneigt sind. Die innere Kugelplatte enthält ein konkavartiges Schild 109. Die äußere Kugelplatte 60 enthält einen anschlußflächenartigen Vorsprung 111 mit drei Mitnehmern 112, 113 und 114, die radial von der kreisförmigen Oberfläche 115 hervorspringen. Darüber hinaus hat die äußere Kugelplatte 60 auch eine Anzahl Zähne 117, die radial von dem äußeren Rand der Platte vorspringen.
Wenn die jeweiligen Taschen der inneren und äußeren Kugelplatten 58, 60 miteinander ausgerichtet sind, werden die Kugellager 88 zwischen diesen in den Taschen aufgenommen, so daß die äußeren und inneren Kugelplatten relativ dicht beieinander angeordnet sind, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, wobei die Kugeln 88 in dem Käfig 59 zurückgehalten sind. Wenn andererseits die äußeren und inneren Kugelplatten 58 und 60 relativ zueinander drehen, zwingt die sich daraus ergebende Drehung der Kugeln die zwei Elemente voneinander weg, wie weiter unten beschrieben wird.
Wie in Fig. 4A gezeigt ist, neigt, wenn die Platten 58 und 60 voneinander weg gezwungen werden, die Wirkung dazu, die Tellerfedern 63 und die Feder 79 auf der anderen Seite der Kegelkupplung 55 zu komprimieren, wodurch die Kegelkupplung 55 in Eingriff mit dem Schwungrad 30 getrieben wird, um die Drehung der inneren Kugelplatte 58 und der Trommel 57 durch das Schwungrad zu verursachen, wie es beschrieben wurde.
In Fig. 6 ist der Sperring 64 auf der Achse 31 in unmittelbarer Nähe der äußeren Kugelplatte 60 angebracht. Wenn das Werkzeug in dem in Fig. 4 gezeigten Zustand ist, liegt die äußere Kugelplatte 60 nicht innerhalb des Sperrings 64 und wird nicht durch den Sperring beeinflußt. In dieser Stellung halten die Tellerfedern 62 die äußere Kugelplatte 60 von dem Sperring 74 in Axialrichtung beabstandet. Wenn jedoch die Kugellager 88 die inneren und äußeren Kugelplatten 58 und 60 voneinander weg zwingen, bewegt sich die äußere Kugelplatte 60 axial hin zu dem Sperring 64, so daß der Zahn 117 mit dem internen Zahn 118 des Sperrings 64 in Eingriff gelangt, wodurch die Drehung der äußeren Kugelplatte 60 während eines ausgewählten Abschnitts der Betriebssequenz vermieden wird. In Fig. 6 und ebenfalls in den Fig. 4 und 4A kann gesehen werden, daß ein Stoppelement 120 mit der Trommel 57 verbunden ist, um mit dem Stopper 56 zusammenzuwirken, wie es noch beschrieben wird.
Der Trommelstopper 56 enthält vorzugsweise eine elastische Dämpfung 123, die auf einer Bremse 124 gehalten ist. Die Bremse 124 ist ausgestaltet, um in einem Abschnitt der vorderen Struktur des Werkzeuggehäuses 11 von der Seite des Rohres 41 zu gleiten, und wird dort so gehalten, daß der Trommelstopper beispielsweise an dieser Stelle gehalten wird, wie in Fig. 5.
Fig. 5 zeigt verschiedene Teile des Werkzeugs in einem nicht ausgelösten Zustand. Hier wurde die Trommel 57 nicht gedreht und das Kabel 45 erstreckt sich von der Trommel nach oben in dem Rohr 41 der Kupplung 42, wo das Kabel 42 mit dem Treiber 40 verbunden ist. Während sich das Kabel an seinem unteren Ende in einen geeigneten Schlitz oder Ausschnitt in der Trommel erstreckt, um das Kabel an dieser zu befestigen, etwa durch gleitenden Eingriff eines verlängerten Endes des Kabels in einem Schlitz, der in die Trommel geschnitten ist, läuft das Kabel nach oben entlang des Treibers in dem Rohr 41. Gleichzeitig ist die Feder 50 vollständig expandiert und das Rückführkabel 52 nicht auf der Oberfläche 86 der inneren Kugelplatte aufgewickelt. Wenn das Werkzeug betätigt wird, um ein Befestigungsmittel zu treiben, wie es in Fig. 5A gezeigt ist, wird die Kegelkupplung in Eingriff mit dem Schwungrad bewegt, das die Kegelkupplung und die zugehörige Trommel 57 in Uhrzeigerrichtung dreht, wie es in Fig. 5A gezeigt ist. Dies wickelt das Antriebskabel 45 um die Aufwickeloberfläche 82 der Trommel 57 und zieht das Kabel nach unten mit einer schnellen Beschleunigung. Da das Kabel an dem Treiber 40 an seinem oberen Ende befestigt ist, zieht das Kabel den Treiber schnell nach unten, wobei diese Energie verwendet wird, um ein Befestigungsmittel zu treiben, wie es in Fig. 5A angezeigt ist. Gleichzeitig wird die Oberfläche der inneren Kugelplatte 58 gedreht, um das Rückführkabel 52 aufzuwickeln. Dies spannt die Feder 50 so, daß, wenn der Treiberzyklus vorbei ist, sich die Feder 50 ausdehnt, wodurch das Kabel 52 gezogen wird. Dies verleiht der inneren Kugelplatte und der Trommel 57 eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn, um die Trommel in ihren anfangs Zustand zurückzubringen und um den Treiber 40 zu heben. Der Treiber 40 wird durch die Feder, die die Trommel 57 treibt und durch das Abwickeln des Kabels 45 in eine Aufwärtsrichtung gezwungen, um den Treiber 40 nach oben zu schieben. Das Kabel 45 und die Trommel 57 können vorzugsweise auf drei Walzen oder Kugellagern 126 vorgesehen sein, wie es in Fig. 5A gezeigt ist. Somit wird das Abwickeln der Trommel 57, das von der Rückführfeder 50 getrieben wird, den Treiber in seinen nicht ausgelösten Zustand zurückbringen und für einen weiteren Zyklus fertig machen.
Wie es in den Fig. 3, 5 und 5A gezeigt ist, enthält das Nasenstück 18 ein sich hin und her bewegbares WCE-Element 128, das von der Feder 129 nach unten getrieben wird, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Da Fig. 5A das Werkzeug in einem ausgelösten Zustand zeigt, bedeutet dies, daß das WCE 128 mit einem Werkstück oder Ziel in Eingriff gelangt und sich das WCE 128 entgegen der Vorspannung und unter Zusammendrücken der Feder 129 nach oben bewegt hat.
Wie in den Fig. 3 und 3A zu sehen ist, enthält die Erfindung eine Rückhalte-Sperrklinke 130, die auf einer Achse 131 gelagert ist. Wie möglicherweise am besten aus Fig. 3 zu sehen ist, paßt die Rückhalte-Sperrklinke 130 zu dem Zahn 117 an der äußeren Kugelplatte 60, um die äußere Kugelplatte 60 frei von einer Drehung in die entgegensetzte Richtung oder Uhrzeigerrichtung zu halten, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die Rückhalte-Sperrklinke 130 wird durch Plattfeder 132 in Eingriff mit dem Zahn 117 gezwungen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird die Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn der äußeren Kugelplatte 60 durch die Sperrklinke 130 mittels der Neigung der Sperrklinke selbst und des Zahns 117, wie es in den Figuren gezeigt ist, ermöglicht. Eine weitere Betriebssperrklinke 135 ist auf einer Achse 136 mittels einer Verlängerung 137 in der Sperrklinke gelagert, die größer als die Achse 136 ist, so daß die Sperrklinke nicht alleine um die Achse 136 rotieren kann, sondern sich radial in bezug auf die Achse im Ausmaß der Aus dehnung der Öffnung 137 bewegen kann. Die Sperrklinke 135 in der Ansicht aus Fig. 3 wird entgegen der Uhrzeigerrichtung mittels der Feder 138 vorgespannt. Die Sperrklinke 135 ist auf der durch die Klammer 139 getragenen Achse 136 angebracht, die im Werkzeug 10 befestigt ist.
Das Werkzeug 10 verwendet einen mechanisch betätigten Auslöser und zugehörige Verbindung, um das Werkzeug zu betätigen oder den Zyklus ablaufen zu lassen. Teile dieser Verbindung sind in den Zeichnungen gezeigt, jedoch wird zunächst Bezug auf Fig. 3 genommen, die eine Auslöserverbindung oder einen Winkelhebel 145 zeigt, der bei 146 angebracht und durch eine Feder 147 entgegen der Uhrzeigerrichtung vorgespannt ist. Wenn der Auslöser 35 von seiner Phantomlinienposition, die in Fig. 3 gezeigt ist, in die Position der durchgezogenen Linie bewegt wird, greift das vordere Ende 35A des Auslösers 35 in den Winkelhebel 145, um diesen im Uhrzeigersinn zu drehen. Die Verbindung enthält des weiteren eine erste Verbindung 148 und eine zweite Verbindung 149. Die Verbindung 148 ist schwenkbar bei 150 auf dem Rohr 41. Das andere Ende der ersten Verbindung 148 enthält einen Schlitz 151, der einen Stift 152 aufnimmt, der auf dem Winkelhebel 145 gelagert ist. Die zweite Verbindung 149 ist bei 153 gegenüber der ersten Verbindung drehbar. Ein Drehzapfen 157 ist an dem Ende der Verbindung 149 angebracht und träget eine Betätigungssperrklinke 157, die bei 157 gegenüber der Verbindung 149 schwenkt. Eine Feder 158 wird allgemein durch die Betätigungssperrklinke 146 entgegen der Uhrzeigerrichtung um den Schwenkzapfen 157 vorgespannt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Eine WCE-Verbindung 161 ist ebenfalls an dem Rohr 41 gelagert, um die Mitnehmersperrklinke 135 zu steuern. Die WCE- Verbindung 161 hat eine geneigte Oberfläche 162 zum kooperativen Eingriff mit dem Stift 163. Wenn die WCE-Verbindung 161 angehoben wird, greift die geneigte Oberfläche 162 den Stift 163 ein und schwenkt die WCE-Verbindung 161 nach rechts in der Ansicht aus Fig. 3 und weg von dem hinteren Ende 166 der Mitnehmersperrklinke 135. Wenn die Verbindung 161 bewegt wurde, ist die Feder 138, die den Vorsprung 140 der Mitnehmersperrklinke 135 eingreift, betätigbar, um die Sperrklinke 135 entgegen dem Uhrzeigersinn in der Betrachtung aus Fig. 3A zu verschieben und zu drehen, damit diese mit einem der Mitnehmer 112, 113 oder 114 in Eingriff gelangt.
Es ist ersichtlich, daß das Werkzeug der bevorzugten Ausführungsform zum Antrieb von Rahmenbefestigungsmittel mit zumindest 2" bis etwa 4" Länge vollständig in Holz hinein nützlich ist. Es wird angenommen, daß ein typischerweise 31/2" langes Rahmenbefestigungsmittel, wie etwa ein Nagel, eine Antriebsleistung von etwa 50 PS braucht, um den Nagel annähernd sofort in das Holz, wie etwa Kiefer oder Fichte, zu treiben. Dementsprechend hat das Schwungrad 30 eine solche Masse und Gewichtsverteilung, daß es bei einer Rotation im Bereich von 7.000 bis etwa 15.000 Umdrehungen pro Minute ausreicht, um ein solches Befestigungsmittel in ein solches Ziel zu treiben, wobei in diesem Zusammenhang das Schwungrad 30 der Erfindung etwa 0,87 Pfund bei einem Drehmoment um die Achse 31 von etwa 4,016 · 10&sup4; ft.-lbs.sec.² hat. Natürlich können Änderungen der Schwungradkonfigurationen, Gewichte, Gewichtsverteilung und Geschwindigkeiten verwendet werden, um eine Vielzahl von Anwendungen zu erfüllen.
Es ist ebenfalls ersichtlich, daß bei der bevorzugten Ausführungsform die Schwungradgeschwindigkeit von einem auswählbaren Bereich von 7.000 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute in einen Bereich von etwa 4.000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute verringert werden kann, wenn ein 31/2" Befestigungsmittel in Holz getrieben wird. Die anfänglich gesetzte Wunschgeschwindigkeit von etwa 7.000 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute wird mit etwa 500 Millisekunden wieder hergestellt.

BETRIEB

In den Fig. 8A bis 8E wird der Betrieb des Werkzeugs beschrieben. In dieser bestimmten Sequenz wird das Werkzeug betätigt, um "am Boden" zu schießen. Anders gesagt, der Auslöser wird vollständig heruntergedrückt, aber das Werkzeug wird nicht schießen, bis das WCE auf einem Ziel am Ende der Sequenz aufgedrückt ist.
In Fig. 8A kann gesehen werden, daß der Auslöser 35 nicht betätigt wurde, noch steht das WCE 128 in Eingriff mit dem Ziel. Dementsprechend ist das WCE 128 ausgedehnt, und die Verbindungen sind in Ruhestellung, wie allgemein in Fig. 8A gezeigt ist. Der Rückhaltemitnehmer 130 ist in einer Position, die die äußere Kugelplatte 60 entgegen der Bewegung im Uhrzeigersinn zurückhält, wie es in Fig. 8A zu sehen ist. Die Betätigungssperrklinke 156 ist nicht in einer Eingriffsposition mit dem Zahn 117 der äußeren Kugelplatte 60.
In Fig. 8B ist der Auslöser um seine Mittellinie oder Mittelwegposition bewegt worden, wo er nun im Eingriff mit dem Auslöserwinkelhebel 145 ist. Der Auslöserwinkelhebel 145 ist leicht im Uhrzeigersinn zur Bewegung des Stifts 152 nach unten gedreht worden, wobei die Verbindung 148 in einer Bewegung im Uhrzeigersinn um den Drehzapfen 150 nach unten getragen wird. Dies bewegt auch den Drehzapfen 153, auf dem die Verbindung 149 gelagert ist, nach unten, in der Ansicht aus Fig. 8B. Das WCE 128 berührt das Ziel noch nicht, und die WCE-Verbindung 161 verbleibt in ihrer Ruheposition, wie es gezeigt ist.
In Fig. 8C wurde der Auslöser vollständig heruntergedrückt, aber das WCE 128 ist noch nicht im Eingriff mit dem Ziel.
In diesem Zustand wurde die Stellgliedsperrklinke 126 in Eingriff mit einem der Zähne 117 der äußeren Kugelplatte 60 bewegt. Diese Bewegung hat den Stift 152 sowie den Drehzapfenstift 153 weiter nach unten gebracht, wodurch die Stellgliedsperrklinke 156 in Eingriff mit einem der Zähne 117 bewegt wird. Die WCE-Verbindung 161 verbleibt noch in Ruhe.
In Fig. 8D verbleibt der Auslöser 35 vollständig im Eingriff, und das WCE 128 ist im Eingriff mit dem Ziel, wie etwa Holz "W", wodurch ein an dem WCE 128 befestigter Vorsprung 169 nach oben bewegt wird, um in das Ende 170 der Verbindung 149 einzugreifen. Dies geschieht dadurch, daß das Werkzeug hin auf das Ziel "W" gepreßt wird. Die Verbindung 149 wurde jedoch noch nicht bewegt.
In Fig. 8E wurde das Werkzeug 10 weiter gegen das Holz W gepreßt, wodurch das WCE 128 hoch in das Werkzeuggehäuse gepreßt wurde, so daß der Vorsprung 169 sich nach oben bewegt hat, wobei das Ende 170 der Verbindung 149 eingegriffen wird und die Verbindung um den Drehzapfen 153 rotiert. Die Rotation bewegt den Drehzapfen 157 nach unten, wodurch die Sperrklinke 136 nach unten gezogen und die äußere Kugelplatte 60 in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn, betrachtet in Fig. 8E, um 37 Grad gedreht wird. Gleichzeitig wurde die WCE-Verbindung 161, die auch von dem WCE 128 zugeordneten Strukturen getragen wird, nach oben bewegt und entgegen der Wirkung der Feder 173 nach vorne in dem Werkzeug 10 geschwenk. Gleichzeitig hebt diese Aufwärtsbewegung das hintere Ende 166 der Mitnehmersperrklinke 135, um diese entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen, wie es in Fig. 8E gezeigt ist, um so einen jeweiligen Mitnehmer 112, 113 oder 114 der äußeren Kugelplatte 60 zu befreien (clear). Insbesondere und unter Bezug auf Fig. 3 ist der Mitnehmer 113 in punktierten Linien im Eingriff mit der Mitnehmersperrklinke 135 gezeigt. Die Sperrklinke wird nun bewegt, wie es in Fig. 8E gezeigt ist, um den Mitnehmer freizugeben und um die Rotation der äußeren Kugelplatte 60 zu ermöglichen. Die Bewegung des WCE 128 in der Verbindung 161 wird über die Verbindung zeitlich gesteuert, wie es gezeigt ist, so daß die Mitnehmersperrklinke 135 bewegt wird, um die Kugelplatte 60 freizugeben, wenn die betätigte Sperrklinke 166 betätigt wird, um die äußere Kugelplatte 60 entgegen der Uhrzeigerrichtung zu bewegen. Es kann gesehen werden, daß die Drehung der Sperrklinke 135 diese von dem Mitnehmer befreit und sie linear über das obere Ende des Mitnehmers bewegt, auf dem sie ruht, wobei diese Bewegung von der verlängerten Öffnung 137 aufgenommen wird. In dieser Position kann sie nicht länger die Drehung der Platte 60 vermeiden.
Die Bewegung des vollen Auslöserschubs mit dem vollen Eingriff des WCE 128 dient dazu, die äußere Kugelplatte 60 um etwa 37 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen, wie es in Fig. 8A bis Fig. 8E und mit der Richtung des Pfeils 175 gezeigt ist, der in Fig. 7 und Fig. 8E gezeigt ist.
In den Fig. 4 und 4A tritt die oben genannte Betriebssequenz auf, um den Betätigungsmechanismus, die Kegelkupplung und das Schwungrad von dem in Fig. 4 gezeigten Zustand in den in Fig. 4A gezeigten Zustand zu setzen, der die Vorrichtung zeigt, unmittelbar wenn das tatsächliche Treiben oder der Zyklusdurchlauf gestartet wird. Insbesondere dreht die Drehung der äußeren Kugelplatte 60 beispielsweise die Rampe 101 entgegen dem Uhrzeigersinn, was die Kugel zu einer axialen Richtung hin zu dem Schwungrad zwingt. Da die Kugel von der inneren Kugelplatte gefangen ist, verursacht der abnehmende Abstand zwischen der Rampe 101 in der äußeren Kugelplatte 60 und der Tasche 89 und der Rampe 95 in der inneren Kugelplatte 58, daß die äußere Kugelplatte axial weg von dem Schwungrad bewegt wird, während die innere Kugelplatte 58 nach innen gegen die Feder 79 hin auf das Schwungrad vorgespannt wird. Da die äußere Kugelplatte 60 sich weiter dreht und da die Kugel die zwei Kugelplatten 58 und 60 weiter voneinander weg zwingt, werden die Federn 63 zusammengepreßt und letztendlich die Kegelkupplung 55 in Kontakt mit dem Schwungrad 60 getrieben. Das sich drehende Schwungrad greift unverzüglich in die Kegelkupplung 55 ein und versetzt ihr einen Impuls aus Rotationsenergie im Uhrzeigersinn, wie es in den Fig. 8A-8E gezeigt ist. Dies dreht sowohl die innere Kugelplatte 58 als auch die Trommel 57 sehr schnell in Uhrzeigersinn, um das Kabel 45 auf der Oberfläche der Trommel aufzurollen. Wenn das Kabel schnell aufgerollt wird, wird es gespannt und zieht den Treiber 40 nach unten mit genügend Energie und Kraft, um einen Nagel in ein einzelnes oder mehrere Holzstücke "W" (Fig. 5A) zu treiben. Es kann gesehen werden, daß das Kabel 52 auf der Oberfläche 82 der Trommel 57 aufgewickelt wird, wenn diese Rotation auftritt.
Unmittelbar bevor die Trommel sich der voll ausgetriebenen Position nähert, dreht sich, wie es in Fig. 5A gezeigt ist, die innere Kugelplatte 58 um eine hinreichende Distanz von etwa 203 Grad um die Achse 31, so daß deren Taschen 89, 90, 91 sich mit den jeweiligen Taschen der äußeren Kugelplatte 60 ausrichten. Mit den Kugeln in den Taschen ist die innere Kugelplatte nun frei für eine axiale Bewegung entlang der Achse 31, die von der Feder 79 weg von dem Schwungrad 30 getrieben wird. Wenn die Kugeln in diese Taschen fallen, dehnen sich die Tellerfedern 63 ebenfalls aus. Durch die Wirkung der Feder 79 wird die Kegelkupplung 55 axial weg von dem Schwungrad 30 bewegt, wodurch das Schwungrad und die Energie, die dieses darstellt, von der Kegelkupplung 55 und der Trommel 57 getrennt werden. Deshalb wird während der Eingriffszeit der Kegelkupplung mit dem Schwungrad ein Energiepuls von dem Schwungrad über die Kegelkupplung und die Trommel, den Treiber und somit auf den Nagel übertragen. Unmittelbar nach dem Trennen der Trommel 57 von dem Schwungrad greift der Vorsprung 120, der sich von der Trommel erstreckt, ein elastisches Element 123 des Trommelstop pers 56 ein, um die Trommel in ihrer Rotation im Uhrzeigersinn zu stoppen, wie es beispielsweise in Fig. 5A gezeigt ist.
Gleichzeitig mit diesem Ereignis dreht sich die Trommel um das gleiche Winkelausmaß wie die Drehung der inneren Kugelplatte 58 und der Umfangsoberfläche 86. Da ein vergrößertes Ende des Rückführkabels 52 in einen Schlitz eingreift, der in der Oberfläche 86 ausgearbeitet ist, wird das Kabel um die Oberfläche 86 gleichzeitig mit dem Aufwickeln des Kabels 45 um die Trommel 57 aufgewickelt. Dies komprimiert oder lädt die Feder 50, da das Kabel 52 die Endkappe 51 longitudinal in bezug auf das entfernte Ende der Feder bewegt. Natürlich können die Verbindung der Feder und des Kabels so ausgebildet sein, daß die Feder gedehnt oder geladen wird, wenn die Trommel aufgewickelt wird, oder andere geeignete Federn in verschiedenen Konfigurationen können verwendet werden, wenn eine verringerte Federbewegung benötigt wird.
Wenn einmal der Eingriff zwischen dem Schwungrad 30 und der Kegelkupplung 55 abgebrochen ist, ist die Feder 50 betätigbar, um die Trommel nun gegen den Uhrzeigersinn zurück zu der in Fig. 5 gezeigten Position vorzubelasten, wie es beispielsweise in Fig. 5A gezeigt ist. Die Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn dehnt und wickelt das Kabel 45 auf und schiebt den Treiber 40 nach oben zurück in seinen nicht ausgelösten oder abgeschossenen Zustand, wobei all dies beispielsweise abläuft, während der Auslöser weiterhin gedrückt und das WCE in dem Werkzeug 10 zurückgezogen ist, wie es in Fig. 5A gezeigt ist. Dementsprechend kann gesehen werden, daß die innere Kugelplatte 58 und die äußere Kugelplatte 60 sich um etwa 240 Grad in bezug zueinander bewegt haben. Diese Wirkung ist ähnlich der Stammanmeldung des Anmelders, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Es kann natürlich gesehen werden, daß die Bewegung der Taschen und der Rampen in den jeweiligen Kugelplatten und der jeweiligen Kugeln im wesentlichen ähnlich sind, wodurch eine ausgeglichene Betätigung geschaffen wird.
Die Fig. 9A-9C zeigen ein Auslösen des Werkzeugs, indem zunächst das WCE voll eingreift und dann der Auslöser gezogen wird. Beispielsweise wurde in Fig. 9A das WCE 128 beispielsweise in Eingriff mit einer Holzoberfläche "W" gebracht. Dies hat den Vorsprung 169 nach oben angehoben, wodurch das Ende 170 der Verbindung 149 eingreift und dieses angehebt. Da jedoch der Auslöser 35 außer Eingriff ist, wurde der Auslöserwinkelhebel 145 nicht gedreht und die Verbindung 148 (in Fig. 9A weggelassen) noch nicht abgesenkt. Dies läßt die Verbindung 149 in einer oberen Position, so daß die Stellgliedsperrklinke 156 noch keinen Zahn 117 der äußeren Kugelplatte 60 eingreift. Angemerkt sei jedoch, daß die WCE-Verbindung 161 nach oben gehoben und geschwenkt wurde, wodurch das Ende 166 der Mitnehmersperrklinke 136 gehoben wurde, so daß die Sperrklinke entgegen dem Uhrzeigersinn in der Betrachtung aus Fig. 9A gedreht wurde. Wie vorangehend erwähnt wurde, ist die Öffnung 137 der Mitnehmersperrklinke 135 verlängert. Wenn die Feder 138 die Mitnehmersperrklinke 135 vorspannt, bewegt sie oder verschiebt sie die Sperrklinke leicht nach links, wie es in Fig. 9A gezeigt ist (nämlich nach rechts in der Betrachtung aus Fig. 3A), so daß das vordere Ende der Mitnehmersperrklinke 135 sich über den zugehörigen Mitnehmer der äußeren Kugelplatte 60 bewegt. Anschließend liegt die Mitnehmersperrklinke 135 oben auf einem darunterliegenden Mitnehmer der äußeren Kugelplatte 60 und ist unwirksam bei der Vermeidung der Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn der inneren Kugelplatte 60, wenn der Auslöser anschließend gezogen wird.
In Fig. 9B verbleibt das WCE 128 vollständig im Eingriff mit einer Holzoberfläche "W", und der Auslöser 35 wurde um den halben Weg oder zur Mittellinienposition bewegt, was teilweise den Auslöserwinkelhebel 145 bewegt hat, um so die Verbindung 148 um den Drehzapfen 150 zu drehen und dadurch die Verbindung 149 leicht abzusenken, was verursacht, daß die Stellgliedsperrklinke 156 in einen Zahn 117 der äußeren Kugelplatte 60 eingreift. Wie es in Fig. 9C gezeigt ist, dreht die weitere Bewegung des Auslösers 35 nach oben weiter den Auslöserwinkelhebel 145, wodurch weiter die Verbindung 158 um den Drehzapfen 50 gedreht und weiter der Drehzapfen 153 und die Verbindung 143 abgesenkt wird, was die Betätigungssperrklinke 156 nach unten trägt. Dieser Betrieb verursacht eine Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn (Pfeil 175) der äußeren Kugelplatte 60, wie es vorangehend erwähnt wurde, um das Werkzeug, wie oben beschrieben, den Zyklus durchlaufen zu lassen.
Dementsprechend kann das Werkzeug 10 den Zyklus durchlaufen oder abgeschossen werden, indem zunächst der Auslöser gedrückt und dann das WCE gegen das Ziel gepreßt wird oder indem zunächst das WCE gegen das Ziel gepreßt und dann der Auslöser gepreßt wird. Indem der Auslöser nach unten gehalten wird, kann das Werkzeug wiederholt gegen die Oberfläche gedrückt werden, wobei das WCE gepreßt wird, wodurch das Werkzeug betätigt wird oder den Zyklus durchläuft.
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit einem Befestigungstreiberwerkzeug beschrieben wurde, enthält darüber hinaus die Vorrichtung einen Treiber oder eine Leistungseinheit, die ausgestaltet ist, um viele Werkzeuge zu treiben, ob sie nun handgehalten sind oder nicht, oder um einen Energiepuls auf ein bewegliches oder treibbares Arbeitselement einer Anzahl verschiedener Zwecke anzuwenden.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie Energie auf die Aufwickeltrommel 57 schnell liefert. Die Kupplung greift sehr schnell in das Schwungrad ein, um die Trommel zu treiben, und genauso schnell löst es sich von dem Schwungrad, um die Energieeingabe von der Trommel zu nehmen, was zu einer Rotation um etwa 203 Grad der Trommel führt, die mittels des Kabels betreibbar ist, um das bewegliche Element oder den Befestigungsmitteltreiber 40 zu bewegen. Die Verwendung einer solchen Vorrichtung schafft ein relativ leichtgewichtiges handgehaltenes Werkzeug, das in der Lage ist, genug Leistung und Kraft zu erzeugen, um Befestigungsmittel zu treiben, die in der Lage sind, bei der Rahmenherstellung verwendet zu werden, beispielsweise 3 bis 4 Zoll Nägel in Holz, wie etwa 2 · 4s, die typischerweise von Heimwerkern verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil wird dadurch verwirklicht, daß die Anordnung des Motors am hinteren Ende 14 des Griffs 12 hilft, das Werkzeug auszubalancieren, um so das Werkzeug leicht haltbar und verwendbar zu machen, und ist somit weniger ermüdend für den Benutzer.
Die Verwendung von Spiralkegelrädern wird als besonders vorteilhaft bei der Übertragung der Energie von dem Motor an das Schwungrad gefunden, ohne daß ein unnötiger Leistungsverlust oder Geschwindigkeitsverlust auftritt, was einen unnötig großen Motor erfordern würde.

MOTORSTEUERUNG

Fig. 10 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Motorsteuerung 310 zeigt, die zum Regeln der Geschwindigkeit des Universalwechselstrom-/Gleichstrommotors M verwendet wird. Ein Kabel oder Draht 314 von dem Motor ist mit einer Leistungsquelle 316 für Wechselstrom mit 120 Volt und 60 Hz verbunden. Der andere Draht 318 vom Motor M ist mit einem Leistungsschaltung 310 verbunden, der ebenfalls mit der Wechselstromleistungsquelle 316 über den Draht 324 verbun den ist. Der Leistungsschaltung 320 enthält einen Triac 321, der einen Auslösereingang 322 zur Steuerung des Betriebs des Triacs 321 hat. Der Leistungsschalter 320 steuert das Anlegene des Wechselstrom-Signals an den Draht 324 zu dem Motor M unter Verwendung eines Auslöserpulses an dem Auslösereingang 322 zur Steuerung des Phasenwinkels, mit dem der Triac 321 in die Leitfähigkeit geschaltet wird.
Die Motorsteuerung 310 aus Fig. 10 hat eine Geschwindigkeitsbefehlsschaltung 326 zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsbefehlssignals am Ausgang 328 mit einer Referenzfrequenz, die eine gewünschte Geschwindigkeit des Motors darstellt. Eine Rückkopplungsschaltung 330 hängt von der Rotation des Motors ab und erzeugt ein Rückkopplungssignal am Ausgang 322, das eine Frequenz proportional der tatsächlichen Geschwindigkeit des Motors M hat. Ein Phasendetektor 334 hängt von dem Geschwindigkeitsbefehls- und dem Rückkopplungssignal ab und erzeugt ein Fehlersignal an einem Ausgang 336 als eine Funktion der Phasendifferenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehls- und Rückkopplungssignal. Ein Tiefpaßfilter 338 ist mit dem Phasendetektor 334 verbunden und erzeugt ein gemitteltes Fehlersignal an einem Ausgang 340 als eine Funktion des Fehlersignals am Ausgang 336. Eine Analogbezugsschaltung 324 ist mit einer Leistungszufuhr 344 verbunden und erzeugt ein analoges Bezugssignal an einem Ausgang 346. Ein Vergleicher 348 hängt von dem mittleren Fehlersignal und dem analogen Bezugssignal ab und erzeugt Auslöserpulse an einem Ausgang 350 als eine Funktion des analogen Bezugs- und des gemittelten Fehlersignals. Die Auslöserpulse befehlen das Phasenwinkelschalten des Triacs 321, was das Anlegen des Wechselstromsignals an der Leitung 324 des Universalwechselstrom- /Gleichstrommotors M steuert, so daß die Phase des Rückkopplungssignals am Ausgang 332 mit der Phase des Geschwindigkeitsbefehlssignals an der Leitung 328 einrastet.
Die Geschwindigkeitsbefehlsschaltung 326 hat einen Auswahlschalter 352, der mit einer Spannungsquelle 354 verbunden ist. Der Auswahlschalter 352 hat eine Anzahl von auswählbaren Eingangsstufen, die den wählbaren gewünschten Motorgeschwindigkeiten entsprechen. Die gewünschte Motorgeschwindigkeit ist eine Funktion der gewünschten Kraft, die von dem Leistungswerkzeug zu erzeugen ist. Beispielsweise bei dem gezeigten Beispiel eines Leistungsbefestigungsmittels, etwa einem Leistungsnagler, wird der Auswahlschalter 352 in Größen entweder der Nagelgröße oder der Tiefe kalibriert, mit der ein Nagel in ein gewünschtes Ziel zu treiben ist. Die Leistungseinstellungen können generisch indiziert sein, um auf eine Tabelle Bezug zu nehmen, die die geeignete Einstellung für eine gegebene Befestigungsmittellänge, Tiefe und Ziel anzuzeigen. Der Auswahlschalter 352 hat weiterhin eine Anzahl Ausgänge 356, entsprechend der Zahl der einstellbaren Zustände des Schalters 352. Ein Bezugsfrequenzerzeuger 358 ist mit dem Auswahlschalter 352 verbunden und liefert ein Geschwindigkeitsbefehlssignal an die Ausgangsleitung 328 mit einer Bezugsfrequenz, die die gewünschte Motorgeschwindigkeit darstellt, wie sie durch die Auswahl bestimmt wird, die mit dem Auswahlschalter 352 durchgeführt wurde. Beispielsweise liefert in Abhängigkeit von den zehn auswählbaren Eingangszuständen des Auswahlschalters 352 der Bezugsfrequenzerzeuger 358 zehn jeweilige Bezugsfrequenzen, die beispielsweise von vier 4 kHz bis 8 kHz reichen. Eine Anzeige 355 hängt ebenfalls von dem Auswahlschalter 352 ab, um eine visuelle Anzeige für den Benutzer des ausgewählten Eingangswertes zu liefern.
Die Rückkopplungsschaltung 330 enthält einen Rückkopplungsumsetzer 360, der, wie es durch die unterbrochene Linie 362 angezeigt ist, von der Rotation des Motors M abhängt. Der Rückkopplungsumsetzer 360 ist jede von der Rotation des Motors abhängige Vorrichtung, welche ein sich als Funktion der tatsächlichen Ausgangsgeschwindigkeit des Motors M än derndes Ausgangssignal liefert. Ein Nulldurchgangsdetektor 364 ist mit dem Rückkopplungsumsetzer 360 verbunden und liefert ein Rückkopplungssignal an die Leitung 332 mit einer Rückkopplungsfrequenz proportional der Winkelgeschwindigkeit des Motors M.
Die mit der Wechselstromleistungsquelle 316 verbundene Leistungszufuhr 344 liefert Gleichstromleistungspegel an den Ausgang 366, die zur Leistungsversorgung anderer Vorrichtungen innerhalb der Motorsteuerung 310 verwendet werden. Die Analogbezugsschaltung 342 enthält einen Nulldurchgangsdetektor 368, der von den Nulldurchgängen des Wechselstromsignals von der Wechselstromleistungsquelle 316 abhängt und ein Nulldurchgangs-Synchronisierungssignal am Ausgang 370 liefert. Die analoge Bezugsschaltung 342 enthält auch einen Rampengenerator 372, der ein analoges Bezugssignal am Ausgang 346 initiiert. Das analoge Bezugssignal ist eine Folge von Rampensignalen, die jeweils in Abhängigkeit von einem Nulldurchgang des Wechselstromsignals initiiert werden. Darauffolgende Nulldurchgänge des Wechselstromsignals beenden das gegenwärtige Rampensignal und initiieren das darauffolgende Rampensignal. Deshalb werden bei einem Wechselstromsignal mit 60 Hz die Rampensignale mit einer Frequenz von 120 Hz erzeugt. Die Rampensignale sind sich mit der Zeit ändernde analoge Bezugssignale, die mit einem minimalen Amplitudenwert starten und in der Amplitude linear mit der Zeit ansteigen, bis das Rampensignal beendet ist. Der Vergleicher 348 hängt von dem Rampensignal und dem mittleren Fehlersignal von dem Tiefpaßfilter 338 ab und erzeugt ein Auslöserpulssignal am Ausgang 350 in Abhängigkeit von der Amplitude des mittleren Fehlersignals, die die Amplitude des Rampensignals übersteigt.
Der Leistungsschalter 320 ist mit dem Treiber 374 verbunden, der die Auslöserpulse an der Leitung 350 für den Eingang 322 des Triacs 321 konditioniert. Dementsprechend ver ursacht der Auslöserpuls an der Leitung 350, daß der Triac 321 bei einem Phasenwinkel des Wechselstromsignals in die Leitfähigkeit oder AN schaltet, der durch den Schnittpunkt des Rampensignals an der Leitung 346 mit dem mittleren Fehlersignal an der Leitung 340 bestimmt ist. Die Wechselstromleistung wird an den Motor in Übereinstimmung mit dem Abschußphasenwinkel des Triacs angelegt, und wenn das Wechselstromsignal von der Wechselstromleistungsquelle 316 durch den nächsten Nulldurchgang durchläuft, schaltet der Triac 321 AUS. Der resultierende Effekt ist die Verriegelung der Phase des Rückkopplungssignals an der Leitung 332 mit der Phase des Geschwindigkeitsbefehlssignals an der Leitung 328, was dazu führt, daß die tatsächliche Motorgeschwindigkeit des Motors M gleich der gewünschten Geschwindigkeit wird, die von dem Schalter 352 gewählt ist. Mit der Phase als zu steuernde Variable wird der Motor sehr genau um die gewünschte Geschwindigkeit gesteuert.
Fig. 11 ist ein detailliertes schematisches Diagramm, das die einzelnen Komponenten zeigt, welche bei der Motorsteuerung 310 zur Regulierung der Geschwindigkeit des Motors M, beispielsweise eines Reihen-Universalwechselstrom- /Gleichstrombürstenmotors mit etwa 0,625 PS verwendet werden. Ein Draht 380 von der Wechselstromleistungsquelle 316 ist mit einem manuell betätigten AN-/AUS-Schalter 382 verbunden, der in einer Schaltung ist, um Strom an einen Satz Motorfeldspulenwicklungen 384, über Bürsten 388 und 390 an eine Motorarmatur 386, an einen zweiten Satz Motorfeldspulenwicklungen 392 und an einem Ausgang 394 des Triacs zuzuführen. Die gemeinsamme Leitung 396 der Wechselstromleistungsquelle 316 ist mit dem Leistungseingang 398 des Triacs 321 verbunden, beispielsweise mit dem Teil mit der Nr. MAC15-6, das im Handel von Motorola aus Schaumburg, ILL, erhältlich ist.
Die Leistungszufuhr 344 ist mit der Quelle bzw. den gemeinsamen Leitungen 380, 396 der Leistungszufuhr 316 verbunden, um eine 5-Volt-Gleichstromzufuhrspannung am Ausgang 400 und eine 12-Volt-Gleichstromzufuhrspannung am Ausgang 402 zu liefern. Die Ausgabespannungen liefert ein durch die Diode D1 und einen Leistungswiderstand R1 erzeugtes Halbwellengleichrichtungswechselstromsignal. Die Gleichstromzufuhrspannungen an den Ausgängen 400 und 402 müssen hinreichend stabil und rauschfrei sein, so daß sie als eine Leistungszufuhr für integrierte Schaltungen und Vorrichtungen dienen können, die auch in der Motorsteuerung 310 verwendet werden.
Die Quelle bzw. die gemeinsamen Leitungen 380, 396 der Leistungsquelle 316 sind auch mit dem Nulldurchgangsdetektor 368 verbunden, der aus den Transistoren Q4, Q5, beispielsweise ein Teil mit der Nr. 2N3904, das kommerziell von Motorola erhältlich ist, und durch Widerstände R10, R11, R12, R13 gebildet ist. Wenn das Wechselstromsignal vom Negativen zum Positiven einen Nulldurchgang durchläuft, geht der Stromfluß durch die Widerstände R12, R13 auf Null, und der Transistor Q4 schaltet AUS. Deshalb wird der Spannungspegel am Kollektor 404 des Transistors Q4 in etwa auf die Zufuhrspannung Vcc von +5 Volt Gleichstrom ("VDC") schalten. Wenn das Wechselstromsignal in positive Richtung ansteigt, wird der durch die Widerstände R12 und R13 fließende Strom schnell den Transistor Q4 auf AN vorspannen, wodurch der Kollektor 404 des Transistors Q4 in etwa auf Masse zurückgeht. Deshalb wird ein erster Nulldurchgangspuls mit kurzer Dauer am Kollektor 404 des Transistors Q4 bei jedem Nulldurchgang von Negativ zu Positiv erzeugt.
Bei dem darauffolgenden Nulldurchgang von Positiv nach Negativ des Wechselstromleistungssignals schaltet, wenn das Wechselstromleistungssignal durch Null durchläuft, der Transistor Q4 erneut AUS, und der Kollektor 404 steigt auf etwa +5 V Gleichspannung an. Wenn das Wechselsstromspannungssignal sich zur negativen Seite bewegt, schaltet der Transistor Q5 AN, und der Strom, der durch die Widerstände R10, R11, R12, R13 läuft, spannt den Transistor Q4 schnell auf AUS, wodurch der Kollektor 404 des Transistors Q4 auf etwa Masse zurückschaltet. Somit wird ein zweiter Nulldurchgangspuls mit einer kurzen Dauer am Kollektor 404 des Transistors Q4 mit jedem Nulldurchgang des Wechselstromleistungssignals von Positiv nach Negativ erzeugt.
Der Nulldurchgangsdetektor 368 innerhalb der Analogbezugsschaltung 342 treibt einen Rampengenerator 372 mit dem Transistor Q3, dem Kondensator C3 und dem Widerstand R9. Mit jedem positiven Durchgang, das heißt mit der ansteigenden Flanke jedes Nulldurchgangspulses entsprechend jedem Nulldurchgang, schaltet der Transistor Q3 auf AN, wodurch ein Entladeweg für den Kondensator C3 über den Transistor Q3 geschaffen wird. Mit jeder nachlaufenden, das heißt negativ verlaufenden, Flanke jedes Nulldurchgangspulses schaltet der Transistor Q3 auf AUS, und der Kondensator C3 wird langsam mit durch den Widerstand R9 fließenden Strom geladen. Das allmähliche Laden des Kondensators C3 schafft einen Spannungspegel, der in etwa linear mit der Zeit ansteigt, wodurch ein Rampensignal angenähert wird. Mit der vorauseilenden Flanke des nächsten Nulldurchgangspulses ist das Rampensignal beendet und fällt zurück auf den Ausgangspegel von etwa 0 V Gleichspannung. Deshalb werden bei einem Wechselstromleistungssignal mit 60 Hz die Nulldurchgangspulse mit einer Frequenz von 120 Hz erzeugt. Die Folge der Nulldurchgangspulse werden mit einer Reihe von Rampensignalen bei einer Frequenz von 120 Hz erzeugt. Die Rampensignale sind analoge Bezugssignale, die synchron mit den Nulldurchgängen des Wechselstromleistungssignals sind und während jeder Halbwelle des Wechselstromleistungssignals andauern, wobei die Rampensignale einen Spannungspegel ha ben, die für jeden Zeitpunkt während des Halbwellenverlaufs des Wechselstromleistungssignals einmalig ist.
Innerhalb des Geschwindigkeitsbefehls der Schaltung 326 ist der Geschwindigkeitsauswahlschalter 352 mit einem Geschwindigkeitshochsetzknopf 406 und einem Geschwindigkeitsheruntersetzknopf 408 ausgestattet, die Eingaben für ein digitales Potentiometer 410, beispielsweise das Teil mit der Nr. DS1669, das von Dallas Semiconductor of Dallas, TX, kommerziell erhältlich ist, geschaffen. Das digitale Potentiometer 410 hat einen Ausgang 412, der mit einem Operationsverstärker U4, beispielsweise dem Teil mit der Nr. TLC272, kommerziell erhältlich von Texas Instruments, verbunden ist. Der Ausgang 412 des digitalen Potentiometers 410 hat in Abhängigkeit von den Geschwindigkeitshochsetz- oder Geschwindigkeitsheruntersetzeingangsbefehlen 64 diskrete Zustände, die durch Betätigen der Druckknöpfe 406 bzw. 408 geschaffen werden. Der Operationsverstärker Q4 ist mit einem Bezugsfrequenzerzeuger 358 mit einem spannungsgesteuerten Oszillator US, beispielsweise dem Teil mit der Nr. MC54/74HC4046A, kommerziell erhältlich von Motorola, verbunden. Der Operationsverstärker U4 arbeitet als ein Vorspannungsgenerator für den spannungsgesteuerten Oszillator US. Der Ausgang 414 des Operationsverstärkers U4 ist mit dem Eingang 416 über den Widerstand R17 verbunden. Um den Operationsverstärker U4 in seinem ausgeglichenen Zustand in Abhängigkeit von der Änderung des Spannungspegels am Ausgang 412 zu halten, nimmt der Eingang 416 des Operationsverstärkers U4 Strom von dem spannungsgesteuerten Oszillator US auf, wobei ein Spannungsabfall über dem Widerstand R16 als eine Funktion des Ausgangssignals am Ausgang 412 des digitalen Potentiometers 410 geschaffen wird. Der spannungsgesteuerte Oszillator US erzeugt eine Bezugsfrequenz am Ausgang 328, die für den durch die Druckknöpfe 406, 408 erzeugten Geschwindigkeitsbefehl einmalig ist. Die von dem Werkzeug erzeugte gewünschte Leistung ist eine Funktion der kinetischen Energie, die in dem sich drehenden Schwungrad gespeichert ist. Die kinetische Energie ist gleich 1/2(I)(ω²), wobei I das Trägheitsmoment des Schwungrades und ω die Winkelgeschwindigkeit des Schwungrades ist. Deshalb wird die Bezugsfrequenz kalibriert, um eine gewünschte Motorgeschwindigkeit darzustellen, die das Schwungrad mit kinetischer Energie versorgt, um eine Kraft entsprechend der gewünschten Eingangsschaltereinstellung anzuwenden.
Der Annäherungssensor 418, beispielsweise das Teil mit der Nr. MP25TA00, kommerziell erhältlich von Red Lion Controls of York, PA, der als Rückkopplungsumsetzer 360 arbeitet, ist magnetisch mit dem Motor M verbunden, um die Geschwindigkeit der Umdrehungen pro Zeit einer Ausgangswelle des Motors M zu erfassen. Der Annäherungssensor 418 liefert sinusförmige Ausgaben an den Leitungen 422, 424, die um 180 Grad außer Phase sind und eine Frequenz proportional der Winkelgeschwindigkeit oder der Umdrehungen pro Minute des rotierenden Kerns 386 haben. Das Rückkopplungssignal des Sensors 418 durchläuft durch ein Gleichstromvorspannungsnetzwerk 426 mit Widerständen R23, R24 und einem Kondensator C7, dessen Ausgang mit den Eingängen eines Nulldurchgangsdetektors 364 verbunden sind, die mit einem Spannungsvergleicher U6, beispielsweise dem Teil mit der Nr. TLC372, kommerziell erhältlich von Texas Instruments, ausgestattet ist. Das gefilterte Rückkopplungssignal ist mit den Eingängen des Spannungsvergleichers U6 verbunden, um einen gemeinsamen Rauschabweisungsmodus zu schaffen. Deshalb liefert der Nulldurchgangsdetektor 364 ein relativ stabiles und rauscharmes Rückkopplungssignal an der Leitung 332, das eine Frequenz hat, die direkt proportional der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit ist.
Der Phasendetektor 334 enthält einen Dreizustandsphasenvergleicher 428, beispielsweise das Teil mit der Nr. MC54/74HC4046A, das kommerziell von Motorola erhältlich ist, der auf den Geschwindigkeitsbefehl und die Rückkopplungsfrequenzen anspricht, um an einem Ausgangsdraht 332 ein Fehlersignal mit einem Arbeitszyklus als eine Funktion der Differenz der Phase zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlsbezug und den Rückkopplungsfrequenzen zu erzeugen. Das Tiefpaßfilter 338 enthält ein Diodenumschaltnetzwerk 430, Widerstände R8, R14, R15 und einen Kondensator C2. Das Tiefpaßfilter spricht auf das Fehlersignal am Ausgang 336 des Phasendetektors 334 an und liefert einen Gleichstromspannungspegel am Ausgang 340 mit einer Amplitude proportional dem Arbeitszyklus des Fehlersignals. Der Vergleicher 348 enthält einen Spannungsvergleicher U2, identisch dem Spannungsvergleicher U6, der auf das Rampensignal am Ausgang 346 des Rampengenerators 372 und das mittlere Fehlersignal am Ausgang 340 des Tiefpaßfilters 338 zur Erzeugung eines Auslöserpulses am Ausgang 350 anspricht, um den Triac 321 in Abhängigkeit von dem Schnittpunkt des mittleren Fehlersignals mit dem Rampensignal AN-zuschalten.
Wenn die Bezugs- und die Rückkopplungsfrequenzen miteinander in Phase sind, hat der Dreizustandsphasenvergleicher 428 einen Dreizustandsausgang im Wartezustand. Wenn die tatsächliche Motorgeschwindigkeit kleiner als die gewünschte Motorgeschwindigkeit ist, eilt die Phase der Bezugsfrequenz gegenüber der Phase der Rückkopplungsfrequenz vor und der Phasenvergleicher 428 erzeugt ein negatives Durchgangssignal in Abhängigkeit von der ansteigenden Flanke der vorauseilenden Bezugsfrequenz. Der Phasenvergleicher 428 bringt das negative Durchgangssignal auf den Wartezustand der Dreizustandsausgabe in Abhängigkeit von der nächsten ansteigenden Flanke der nacheilenden Rückkopplungsfrequenz zurück. In ähnlicher Art läuft, wenn die tatsächliche Motorgeschwindigkeit größer als die gewünschte Geschwindigkeit ist, die Phase der Rückkopplungsfrequenz gegenüber der Phase der Bezugsfrequenz voraus, und der Phasenvergleicher 428 erzeugt ein positives Durchgangssignal in Abhängigkeit von einer ansteigenden Flanke der Rückkopplungsfrequenz. Der Phasenvergleicher 428 schaltet das negative Durchgangssignal zurück auf den Wartezustand der Dreizustandsausgabe in Abhängigkeit von der nächsten vorauseilenden Flanke der vorauseilenden Bezugsfrequenz. Deshalb erzeugt der Dreizustandsphasenvergleicher 428 entweder ins Negative laufende pulsartige Signale oder ins Positive laufende pulsartige Signale in Abhängigkeit von der Phase der Rückkopplungsfrequenz, die entweder in bezug auf die Phase der Geschwindigkeitsbefehlsbezugsfrequenz vorauseilt oder hinterherläuft. Die Dauer der pulsartigen Signale ist proportional der Amplitude der Phasenverschiebung oder Phasendifferenz zwischen der Rückkopplungs- und Bezugsfrequenz.
Angenommen sei beispielsweise, daß der Motor M mit einer Geschwindigkeit gleich der gewünschten von dem Geschwindigkeitsbefehlssignal dargestellten Geschwindigkeit läuft. In dieser Situation hat die Phase des Rückkopplungssignals eine konstante Beziehung bezüglich der Phase der Bezugsfrequenz. Der Phasenvergleicher 428 wird in seinen Dreizustandsausgabe-Wartezustand geschaltet und das Umschaltdiodennetzwerk 430 ist in einem Wartezustand, in dem die Dioden nicht hart an oder ausgeschaltet werden. Die Ladung am Kondensator C2 liefert eine Spannungsamplitude an einem Eingang des Spannungsvergleichers U2, der das Rampensignal am anderen Vergleichereingang schneidet, um einen Auslöserpuls am Ausgang 350 zu liefern. Der Auslöserpuls schaltet den Triac 321 während jeder Halbphase des Wechselstromspannungssignals AN, um genügend Strom an den Motor M zu liefern, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erhalten. In Abhängigkeit von der Änderung an einem Kondensator C2 kann der Kondensator C2 zu diesem Zeitpunkt einen Abflußweg über die Widerstände R8, R15 und die Diode D5 haben.
Angenommen sei beispielsweise, daß der Motor M sich verlangsamt, was dazu führt, daß die Phase der Geschwindig keitsbefehlsbezugsfrequenz gegenüber der Rückkopplungsfrequenz vorauseilt. Deshalb erzeugt in Abhängigkeit von der ansteigenden Flanke der Bezugsfrequenz der Dreizustandsphasenvergleicher 428 ins Negativ laufende Ausgabesignale am Ausgangsdraht 336. Dieses Ausgabesignal schaltet die Diode D2 AN, wodurch der Strom über den Widerstand R14 abnimmt, was die Dioden D3, D4 AUS- und die Diode D5 AN-schaltet. Der Zustand det Diodenbrücke 430 liefert einen Entladeweg für den Kondensator C2 über die Widerstände R8 und R15. Der Kondensator C2 entlädt sich relativ schnell, wodurch die Spannungsamplitude an dem Ausgang 340 verringert wird, die die Eingabe des Spannungsvergleichs U2 ist.
Deshalb erzeugt, wenn die tatsächliche Motorgeschwindigkeit unter die gewünschte Motorgeschwindigkeit absinkt, der Dreizustandsphasenvergleicher 428 ein Fehlersignal mit einer Reihe von pulsartigen ins Negative laufenden Signale, die die Amplitude des mittleren Fehlersignals verringern, das von dem Tiefpaßfilter 338 erzeugt wird. Die verringerte Amplitude des mittleren Fehlersignals schneidet das Rampensignal an einem früheren Zeitpunkt des Halbwellenverlaufs des Wechselstromleistungssignals. Deshalb erzeugt der Spannungsvergleicher U2 einen Auslöserpuls an den Triac zu einem früheren Zeitpunkt. Der Triac 321 schaltet mehr Strom an den Motor, wodurch die tatsächliche Motorgeschwindigkeit hin zu der gewünschten Motorgeschwindigkeit erhöht wird. Die nächste steigende oder ins Positive gehende Flanke der Rückkopplungsfrequenz wird den Dreizustandsphasenvergleicher in den Dreizustandsausgabe-Wartezustand zurückversetzen. Der Prozeß wiederholt sich selbst für die darauffolgenden ins Positive laufenden Flanken der Bezugs- und Rückkopplungsfrequenzen, bei denen die Bezugsfrequenz gegenüber der Rückkopplungsfrequenz vorauseilt.
In der anderen Situation, in der der Motor schneller als der gewünschte Geschwindigkeitsbefehl läuft, wird die Rück kopplungsfrequenz gegenüber der Bezugsfrequenz in der Phase vorauseilen. Deshalb wird in Abhängigkeit von einer ansteigenden oder ins Positive gehenden Flanke der Rückkopplungsfrequenz die Ausgabe 336 des Dreizustandsphasenvergleichers auf ein ins Positive gehende Signal geschaltet, das die Dioden D2, D5 AUS- und die Dioden D3, D4 AN-schaltet. Der Kondensator D2 wird dann in die Lage versetzt, Strom über den Widerstand R14 zu liefern, wodurch die Spannungsamplitude des Signals an dem Ausgangsdraht 340 des Tiefpaßfilters 338 erhöht wird. In Abhängigkeit von der nächsten ansteigenden Flanke der Bezugsfrequenz kehrt der Dreizustandsphasenvergleicher seine Ausgabe 336 auf das Dreizustandsausgabe-Wartezustandssignalniveau zurück, wodurch die Diodenbrücke in den Wartezustand zurückkehrt und die Ladung des Kondensators C2 über den Widerstand R14 beendet ist. Der oben genannte Prozeß wird wiederholt in bezug auf jede aufeinanderfolgende ansteigende Flanke der Rückkopplungsfrequenz, die der ansteigenden Flanke der Bezugsfrequenz vorauseilt. Wenn deshalb die tatsächliche Motorgeschwindigkeit die gewünschte Motorgeschwindigkeit übersteigt, erzeugt der Dreizustandsphasenvergleicher 428 eine Reihe von ins Positive gehenden pulsartige Signale, die jeweils dem Kondensator C2 ermöglichen, Ladung auszubilden, wodurch die Spannungsamplitude des gemittelten Fehlersignals des Tiefpaßfilters 338 erhöht wird. Wenn die Amplitude des mittleren Fehlersignalpegels ansteigt, wird der Punkt, zu dem die Spannungsamplitude des Rampensignals geschnitten wird, zu einem späteren Zeitpunkt während der Erzeugung des Rampensignals auftreten. Dementsprechend wird der Spannungsvergleicher U2 ein Auslöserpuls zu einem späteren Zeitpunkt in bezug auf das Rampensignal erzeugen. Der Auslöserpuls wird verursachen, daß der MOSFET Q2 innerhalb des Treibers 374, beispielsweise das Teil mit der Nr. 2N7000, das von Motorola kommerziell erhältlich ist, und der Triac 321 auf AN zu einem späteren Zeitpunkt während des Halbzyklus des Wechselstromsignals schalten, wodurch der zu dem Motor fließende Strom und im Gegenzug die Motorgeschwindigkeit verringert wird.
Die Teilwerte der Widerstände R14 und R15 des Tiefpaßfilters 338 werden so gewählt, daß, wenn der Motor sich verlangsamt, der Entladeweg für den Kondensator C2 es dem Kondensator erlaubt, sich relativ schnell zu entladen, wodurch schnell der Umschaltpunkt des Triacs 321 verändert wird, um schnell den dem Motor zugeführten Strom zu erhöhen. Wenn im Gegenzug die Motorgeschwindigkeit größer als die gewünschte Geschwindigkeit ist, werden systematische physikalische Kräfte, wie etwa Reibung und andere Verluste, eine natürliche Verlangsamung des Motors hervorrufen. Deshalb sind die Systemteilwerte so gewählt, daß sie langsamer den Kondensator C2 in der Situation laden, in der die Motorgeschwindigkeit zu schnell ist, und die systematischen Kräfte helfen ebenfalls bei der Verringerung der Motorgeschwindigkeit. Das Tiefpaßfilter kann auch als ein Digital-/Analogwandler betrachtet werden. Das Filter spricht auf ein Digitalsignal von dem Phasenvergleicher 428 mit einem Arbeitszyklus an, der den Phasenfehler zwischen den Bezugs- und Rückkopplungsfrequenzen darstellt, und das Filter erzeugt eine Gleichstromspannungsausgabe, die den Mittelwert des Phasenfehlers darstellt.
Bei der Anwendung benutzt der Bediener den Schalter 382, um Spannung an den Motor M anzulegen, und die Schalter 406, 408 werden verwendet, um einen Eingangsbefehl einzustellen, der die gewünschte Ausgabe des Leistungsbefestigungsmittels darstellt. Wenn eine visuelle oder eine andere Anzeigevorrichtung verwendet wird, um den Eingabebefehl des Bedieners anzuzeigen, kann diese in Einheiten der Motorgeschwindigkeit, der angewendeten Kraft auf das Werkzeug, der Größe der Befestigungsmittel, die durch das Werkzeug getrieben werden, usw. kalibriert sein. Wenn beispielsweise der Leistungsbefestiger als Nageltreiber verwendet wird, um Nägel im Bereich von 2 Zoll bis 3,5 Zoll zu treiben, kann die Motorgeschwindigkeit im Bereich von 7.000 Umdrehungen pro Minute bis 15.000 Umdrehungen pro Minute wählbar sein, Ohne die visuelle Anzeigevorrichtung kann die gewünschte Kraft bestimmt werden, indem mehrere Versuchsbefestigungsmittel getrieben werden. Wenn einmal die gewünschte Eingabe eingestellt ist, wird die Einstellung beibehalten, auch wenn das Werkzeug ausgeschaltet und neu gestartet wird. Bei Ausführung eines Treiberwerkzeugzyklus zum Treiben eines Befestigungsmittels wird ein Puls kinetischer Energie abgegeben und die Geschwindigkeit des Schwungrades 30 und des Motors M verringert. Der Phasendetektor 334 erzeugt große Fehlersignale, die ins Negative gehende Signale mit einer längeren Dauer sind, wodurch der Triac 321 veranlaßt wird, den maximalen Strom an den Motor M zu liefern. Der Kondensator C2 entlädt sich schnell und der Umschaltpunkt des Triac 321 bewegt sich schnell, um den an den Motor gelieferten Strom zu erhöhen. Die Motorsteuerung 310 ist in der Lage, den Motor zu beschleunigen, um den Motor und das Schwungrad zurück auf die maximal ausgewählte Geschwindigkeit in etwa 500 Millisekunden zu bringen. Wenn die Geschwindigkeit des Motors so ansteigt, daß die Differenz zwischen der gewünschten Geschwindigkeit und der tatsächlichen Motorgeschwindigkeit verringert ist, ändert der Triac 321 die Umschaltpunkte so, daß der mittlere an den Motor M angelegte Strom ebenfalls verringert wird. Wenn die gewünschte und tatsächliche Motorgeschwindigkeit gleich werden, werden die Bezugs- und Rückkopplungsfrequenzen in einer Beziehung einrasten, in der die Phase der Bezugsfrequenz leicht gegenüber der Phase der Rückkopplungsfrequenz nacheilt. Die Motorsteuerung 310 ist bezüglich der Phasendifferenzen zwischen der Bezugs- und der Rückkopplungsfrequenz empfindlich, die kleiner als die Perioden der Referenz- oder Rückkopplungsfrequenzen sind. Deshalb kann, indem die Motorgeschwindigkeit innerhalb der Zeitdomäne einer Phasendifferenz gesteuert werden kann, die Motorsteuerung 310 die Ge schwindigkeit des Motors innerhalb von ± 1% der gewählten Motorgeschwindigkeit regeln.
Während die Erfindung in der Beschreibung der Ausführungsform in beachtlichem Detail ausgeführt ist, ist dies nicht beabsichtigt, um in irgendeiner Art die Ansprüche auf diese Details einzugrenzen oder zu beschränken. Zusätzliche Vorteile und Modifikationen sind für den Fachmann offensichtlich. Beispielsweise liefert die Erfindung ein einzigartiges elektrisch getriebenes Befestigungsmitteltreiberwerkzeug, das in der Lage ist, Rahmennägel und Klammern mit gewünschten Zyklusfrequenzen zu treiben. Das Werkzeug verwendet effektiv ein einzelnes Schwungrad und eine Motorsteuerung für einen einfachen Motor, der die gewünschte Schwungradgeschwindigkeit und die Wiederherstellung der Geschwindigkeit unabhängig von der entfernten Motoranbringung im Handgriff und die Verwendung einer Antriebswelle, um das Schwungrad zu drehen, liefert. Das Werkzeug ist mittels des Handgriffs und des dort angebrachten Motors ausbalanciert. Die verbesserte Auslöserverbindung erleichtert die normale Betätigung des Werkzeugs. Die Erfindung liefert auch einen Antrieb oder eine Leistungseinheit, die in einer Vielzahl von Werkzeugen, Arbeitsgeräten und Vorrichtungen nützlich ist, um ein getriebenes Arbeitselement zu haben.
Zusätzlich kann die Leistungszufuhr 344 sowohl aus dem Gleichrichten einer Halbwelle oder einer ganzen Welle eines Wechselstromsignals gebildet sein. In beiden Fällen ist der Nulldurchgangsdetektor 368 von allen Nulldurchgängen abhängig und liefert Nulldurchgangspulse mit einer Frequenz von 120 Hz. Der Auswahlschalter 352 innerhalb der Geschwindigkeitsbefehlsschaltung 326 kann auf verschiedene Arten gebildet sein. Der Schalter 352 kann ein einzelner Schalter mit vier Ausgängen sein, die in zehn Einstellungen dekodiert werden. Die vier Schalterausgänge können mit einem BCD-Dezimalwandler verbunden sein, der dann zehn Span nungspegel an einen spannungsgesteuerten Oszillator liefert. Der Rückkopplungsumsetzer 360 kann jede Vorrichtung sein, die von der Drehung des Motors M abhängt und ein periodisches Ausgangssignal mit einer Frequenz proportional der Motorgeschwindigkeit liefert. Der Vergleicher 348 und das Tiefpaßfilter 338 können mit anderen Vorrichtungen gebildet sein, die einen Auslöserpuls an den Leistungsschalter 320 mit einer vorauseilenden Flanke in bezug auf das Rampensignal liefern, das eine Funktion der Differenz der Phase zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal und dem Rückkopplungssignal ist.
Die Motorsteuerung der Erfindung wurde unter Bezug auf die Steuerung der Geschwindigkeit eines Universalwechselstrom- /Gleichstrommotors für den Antrieb des Schwungrads in einem Handwerkzeug beschrieben. Während die Motorsteuerung der Erfindung bestimmte Eigenschaften hat, die bei dieser Anwendung vorteilhaft sind, können die beschriebenen Eigenschaften der Motorsteuerung in vielen anderen Anwendungen ebenfalls vorteilhaft sein. Die hier beschriebene Motorsteuerung kann zur Steuerung der Geschwindigkeit jedes Universal-Wechselstrom-/Gleichstrommotors bei vielen Anwendungen verwendet werden.
Die Erfindung in ihren breitesten Aspekten ist deshalb nicht auf die gezeigten und beschriebenen spezifischen Details beschränkt. Dementsprechend können Abweichungen von diesen Details vorgenommen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beiliegenden Ansprüche festgelegt ist.

Claims

1. Geschwindigkeitssteuerung für eine Motorsteuerung (310), die mit einem über ein Wechselstromsignal von einer Wechselstromversorgungsquelle (316) versorgten Wechselstrom/Gleichstrom-Universalmotor (M) verbunden ist, wobei die Geschwindigkeitssteuerung einen zwischen der Wechselstromversorgungsquelle (316) und dem Motor (M) geschaltet Triac-Leistungsschalter (320) aufweist, wobei der Triac- Leistungsschalter (320) einen Trigger-Eingang (220) enthält, um das Anlegen des Wechselstromsignals an den Motor (M) zu steuern, und wobei die Geschwindigkeitssteuerung von dem Wechselstromsignal abhängt, um iterativ mit Null-Durchgängen des Wechselstromsignals synchronisierte Rampensignale zu initiieren, wobei jedes Rampensignal eine Dauer in etwa gleich der Dauer zwischen den Nulldurchgängen des Wechselstromsignals hat, wobei die Geschwindigkeitssteuerung desweiteren umfaßt:

eine Geschwindigkeitsbefehlsschaltung (326), um wahlweise eines einer Mehrzahl Geschwindigkeitsbefehlssignale zu liefern, das eine Bezugsfrequenz hat, welche eine einer Mehrzahl auswählbarer gewünschter Geschwindigkeiten des Motors entspricht;

eine Rückkopplungsschaltung (330), die von der Rotation des Motors (M) abhängt und ein Rückkopplungssignal mit einer Rückkopplungsfrequenz erzeugt, welche eine tatsächliche Geschwindigkeit des Motors (M) darstellt;

einen Phasendetektor (334), der von dem einen der Mehrzahl Geschwindigkeitsbefehlssignale und von dem Rückkopplungssignal abhängt, um ein Phasenfehlersignal mit einen Arbeitszyklus zu erzeugen, der proportional zu einer Pha sendifferenz zwischen der Bezugs- und der Rückkopplungsfrequenz ist;

eine Diodenbrückenschaltung (430) mit Widerstandsmitteln (R8, R14, R15) und Kapazitiätsmitteln (C2), um einen von dem Phasenfehlersignal abhängigen Gleichspannungspegel zu erzeugen;

ein Tiefpaßfilter, das von dem Gleichspannungspegel der Diodenbrückenschaltung (430) abhängt, um ein mittleres Phasenfehlersignal zu erzeugen;

eine Vergleicherschaltung (348), die mit dem Triggereingang (322) des Triac-Leistungsschalters (320) verbunden ist und von den Rampensignalen und dem das mittlere Phasenfehlersignal darstellenden Signal abhängt, um Triggerpulse zu erzeugen, wobei die Triggerpulse als eine Funktion einer Phasendifferenz zwischen der Bezugsfrequenz und der Rückkopplungsfrequenz gebildet sind, wodurch durch Schalten des Triac-Leistungsschalter (320) mit den Triggerpulsen das Wechselstromsignal an den Motor (M) als eine Funktion der Frequenzdifferenz angelegt wird, wodurch verursacht wird, daß die tatsächliche Motorgeschwindigkeit in etwa gleich der gewünschten Motorgeschwindigkeit ist.

2. Geschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 1, bei der die Geschwindigkeitsbefehlsschaltung (326) enthält:

einen Eingangsschalter (352), der ein Eingangssignal mit einer Spannungsamplitude liefert, die die ausgewählte der Mehrzahl auswählbarer gewünschter Geschwindigkeiten des Motors darstellt; und

einen spannungsgesteuerten Oszillator (358), der von dem Eingangssignal abhängt und der das eine der Mehrzahl Geschwindigkeitsbefehlssignale mit der Bezugsfrequenz erzeugt.

3. Geschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 1, bei der der Phasendetektor (334) ein Dreizustands-Phasendetektor ist, der eine Pulsreihe erzeugt, die positive Pulse, die eine erste Phasendifferenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal und dem Rückkopplungssignal darstellen, und negative Pulse, die eine zweite Phasendifferenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal und dem Rückkopplungssignal darstellen, enthält.

4. Geschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 3, bei der die erste Phasendifferenz in Abhängigkeit von dem dem Geschwindigkeitsbefehlssignal vorauseilenden Rückkopplungssignal und die zweite Phasendifferenz in Abhängigkeit von dem dem Geschwindigkeitsbefehlssignal hinterherlaufenden Rückkopplungssignal erzeugt wird.

5. Geschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 1, bei der die Diodenbrückenschaltung (430) und das Tiefpaßfilter des weiteren als Digital-/Analog-Wandler arbeiten.

6. Geschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 1, bei der jeder der Triggerpulse eine Pulsbreite hat, die als Funktion des Phasenfehlersignals bestimmt ist.

7. Geschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 1, bei der die Geschwindigkeitsbefehlsschaltung (326) selektiv eines einer Mehrzahl Geschwindigkeitsbefehlssignale liefert, das eine gewünschte Geschwindigkeit des Motors (M) in einem Bereich von etwa 7000 Umdrehungen pro Minute bis in etwa 15000 Umdrehungen pro Minute darstellen.

8. Motorsteuerung nach Anspruch 1, bei der die Vergleicherschaltung (348) die Triggerpulse für den Triac erzeugt, um innerhalb einer Zeitspanne nicht größer als etwa 500 msec zu verursachen, daß die tatsächliche Motorgeschwindigkeit in etwa gleich der gewünschten Motorgeschwindigkeit ist.

9. Geschwindigkeitssteuerung nach Anspruch 1, bei der die Vergleicherschaltung (348) die tatsächliche Motorgeschwindigkeit in etwa innerhalb von 1% Abweichung gegenüber der gewünschten Motorgeschwindigkeit hält.

10. Motorsteuerung, die mit einem Wechselstrom/Gleichstrom- Universalmotor verbunden ist, mit einer Geschwindigkeitssteuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche.