EP0764502B1 - Schlagunterstütztes Handbohrgerät - Google Patents

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Publication number
EP0764502B1
EP0764502B1 EP96810539A EP96810539A EP0764502B1 EP 0764502 B1 EP0764502 B1 EP 0764502B1 EP 96810539 A EP96810539 A EP 96810539A EP 96810539 A EP96810539 A EP 96810539A EP 0764502 B1 EP0764502 B1 EP 0764502B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotational speed
measured
hammer
hand drill
evaluation unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP96810539A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0764502A1 (de
Inventor
Otto Noser
Ulrich Bourgund
Alexander Hoop
Hanspeter Schad
Stefan Miescher
Edwin Schweizer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP0764502A1 publication Critical patent/EP0764502A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0764502B1 publication Critical patent/EP0764502B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D16/00—Portable percussive machines with superimposed rotation, the rotational movement of the output shaft of a motor being modified to generate axial impacts on the tool bit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2211/00—Details of portable percussive tools with electromotor or other motor drive
    • B25D2211/06—Means for driving the impulse member
    • B25D2211/068—Crank-actuated impulse-driving mechanisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2216/00—Details of portable percussive machines with superimposed rotation, the rotational movement of the output shaft of a motor being modified to generate axial impacts on the tool bit
    • B25D2216/0007—Details of percussion or rotation modes
    • B25D2216/0023—Tools having a percussion-and-rotation mode
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2250/00—General details of portable percussive tools; Components used in portable percussive tools
    • B25D2250/195—Regulation means
    • B25D2250/205—Regulation means for torque
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2250/00—General details of portable percussive tools; Components used in portable percussive tools
    • B25D2250/221—Sensors

Definitions

  • the invention relates to an impact-supported hand drill, in particular a Hammer drill, according to the preamble of the generic claim 1.
  • Impact-assisted hand drills are used in the construction, installation and Electrical and used in related fields. Because of their high Mining performance in mineral substrates, such as concrete, masonry or rock, have been chosen for professional use in particular Hammer drills proven.
  • Hammer drills have a continuous driven tool holder and a motor-operated Beating mechanism. In operation, one in the tool holder clamped tool automatically in time sequence hammer-like impulses transferred, which support the processing of the surface. At the same time it is in the tool holder inserted tool is rotated continuously in the underground to create an anchor hole suitable for dowels.
  • the striking mechanism is an electro-pneumatic striking mechanism transmits longitudinal shocks to the tool during operation.
  • the cutting edge on the tool tip is inserted into the Driven underground and creates a small notch.
  • the Angle that the cutting edge at the tip of the continuously rotated tool sweeping between two strokes is called the conversion angle.
  • the conversion angle is chosen such that only after periodic repetition occurs a few complete revolutions. To this In this way it should be avoided that the cutting edge on the tool tip is in the immediate vicinity Episode hits existing notches and deepens them further.
  • the notches can have conversion angles such as 30 °, 36 °, 45 °, 52 °, 60 ° etc. deepened to such an extent that the shear effect only removes insufficient material, which greatly reduces the drilling performance of the device. For this reason such periodic conversion angle by suitable design of the gearbox Avoided hammer drill.
  • GB2160320A discloses one, also for a hand drill with common features applicable, stress-dependent, advantageously microprocessor-controlled periodically Repeatedly measuring, self-optimizing control for the speed of the work tool holder for the purpose of optimizing the drilling performance.
  • Stress waves in the shank of the tool which at various points on the Tool shaft measured and integrated as energy components evaluated become.
  • a disadvantage is the complex measurement of the stress waves and their Integration evaluation.
  • a measurement is carried out on the shank of the tool due to the longitudinal impacts to fatigue the measuring device.
  • US4660656 discloses a reaction torque measurement in hydraulic Drive motor of a tool and a control of the feed realized via weights to ensure a constant reaction torque. Such a regulation about the feed is not applicable to a hand drill.
  • the solution to this problem is an impact-supported hand drill, in particular a hammer drill, which the in the characterizing section of Features claim 1 listed features.
  • the inventive Impact-supported hand drill has an electric one Drive motor for a tool holder that can be rotated continuously around its longitudinal axis, a control device interacting with the electric drive motor for the number of revolutions of the tool holder, and a striking mechanism for the periodic delivery of axial impacts on a tool clamped in the tool holder.
  • the electric drive motor is equipped with a measuring device for the Reaction torque coupled.
  • the control device includes one Evaluation unit, which with the measuring device for the reaction torque is connected and via which the speed of the tool holder can be regulated in such a way that the reaction torque measured on the drive motor during operation is maximum.
  • the impact-supported hand drill Due to the inventive design of the impact-supported hand drill it can be operated in the optimal performance range. It turns out that at a maximum measured reaction torque also the drilling performance Maximum.
  • the device is always optimal regardless of the surface Power range operated. The user does not need any additional Operating steps required.
  • the optimized drilling performance shortens the time required to create a dowel hole suitable for dowels is required. This makes the operation of the device even more economical.
  • the measuring device comprises Strain gauges or load cells attached to the electrical suspension Drive motor are arranged in the housing.
  • the chosen arrangement of the Strain gauges or load cells require no special design effort. Torque measurement methods using strain gauges or load cells have been tried and tested under the loads to which impact-assisted hand drills are sometimes exposed are to be carried out with sufficient accuracy.
  • the control device By connecting the evaluation unit to a memory unit in which different Speed ranges are defined, and the control device is designed such that according to the evaluation unit, these speed ranges are increasing Speeds can be set automatically after activating the Control device by the user finding the optimal speed with maximum associated reaction torque in a very short time. This will for each set speed, the associated reaction torque is determined and in the Storage unit held. The control device then automatically regulates the speed of the tool holder which is the largest value of the measured Reaction torque corresponds. This regulation is independent of the user. This only has to activate the control device once, for example, as to then, with a push button on the handle. The regulation then takes place fully automatic, without any further action on the part of the user. He can only by the noise of the electric motor recognize that regulation is taking place.
  • the speed ranges defined in the storage unit preferably correspond to conversion angles of 37 ° -39 °, 46 ° -50 °, 61 ° -65 ° and 91 ° -98 °.
  • This relationship serves the approximate determination of the optimal speed ranges or conversion angle.
  • the speed ranges corresponding to the conversion angle ranges are controlled and the speeds varied accordingly.
  • the associated reaction torque on the drive motor is determined for each set speed.
  • the optimal speed at which the impact-supported hand drill is to be operated is regulated by the control device to the speed at which the greatest reaction torque was measured.
  • different ideal speeds are in the storage unit fixed.
  • the control device is designed such that according to the Evaluation unit, these ideal speeds are automatically adjustable and the speed of the Tool holder can be varied within a range of ⁇ 5% of the ideal speed.
  • the associated reaction torque is measured for each speed and in the storage unit. Then the speed of the tool holder is inside a tight tolerance of ⁇ 1 ° can be regulated automatically to the speed at which the maximum reaction torque was determined.
  • the device according to the invention thus corresponds to the ideal rotation angles of 38 °, 48 °, 63 ° and 95 °, each with a tolerance of ⁇ 1 °, the relationship between the speed and the conversion angle according to the relationship given above given is.
  • Both variants of the invention are approximate Specified speed ranges in which the greatest possible reaction torque is expected.
  • the in the relationship between the conversion angle and the speed of the Tool pick-up incoming beat frequency is particularly well known Hammer drills with electro-pneumatic hammer mechanism not a constant, but changes with the speed. For the approximate determination of the This does not matter speed ranges.
  • the device according to the invention is used to regulate the speed of the tool holder only in dependence on the measured reaction torque, so that also in In this case, the speed dependence of the stroke frequency is irrelevant.
  • the evaluation unit comprises a microprocessor which is controlled in such a way that the speed of the tool holder is adjusted Measurement of the measured reaction torques periodically during operation is monitored and in the case of detected deviations, the speeds outside the specified range limits, readjustment if necessary is initiated.
  • the method for operating an impact-assisted device equipped according to the invention Hand drill is characterized in that the reaction torque on Drive motor is measured periodically by the measuring device and the measured values the evaluation unit are forwarded.
  • the control device the speed of the tool holder according to the Evaluation unit controlled in such a way that the measured reaction torque is maximal is.
  • the inventive method is characterized by its simple control loop from which essentially only a single control variable is to be considered.
  • the control device preferably sets automatically after its activation the speed of the tool holder at which it is expected that measured reaction torque is maximum. To do this, in the storage unit specified speed values are followed in succession and the associated measured Reaction torques measured and recorded in the storage unit. The control unit finally regulates the speed of the tool holder to found optimal speed and continuously checks whether the Control condition is fulfilled, i.e. the measured reaction torque on Drive motor is maximum, and adjusts if necessary. This ensures that the impact-supported hand drill is always in the optimal performance range is operated.
  • an impact-supported hand drill according to the invention is included in its entirety provided with the reference number 1.
  • Hand drill shown is in particular a hammer drill with electro-pneumatic hammer mechanism.
  • the individual mechanical and electrical Function blocks are arranged in a housing 2.
  • the mechanical Function blocks include an electric drive motor 3, an electropneumatic one Impact mechanism 5, a gear 7 and a tool holder 9, into which a tool 10 is inserted.
  • the force-transmitting coupling of the mechanical function blocks one below the other is indicated by double dashes.
  • the electric drive motor 3 is via a mechanical connection 4 with the electropneumatic striking mechanism 5 connected. In this way, an exciter piston 51 is driven via an eccentric, which accelerates a flying piston 52, which strikes a striker 53 which moves into the tool holder 9 continues and the axial impacts on the Tool holder 9 transfers clamped tool.
  • the electric drive motor 3 is connected to a second mechanical connection 6 a gear 7 connected in which the revolutions of the electric motor in one fixed ratio can be translated or reduced.
  • Another mechanical connection 8 transmits the rotary movement of the electric drive 3 or the gear 7 on the tool holder 9, which is thereby in operation is continuously rotated around its axis.
  • the continuous rotation of the Tool holder 9 is transferred to the clamped tool 10.
  • the hammer drill 1 is started up by means of a switch S on Handle part of the housing 1.
  • the switch S closes the contact to the energy source, which can be an accumulator or the electrical network to which the hammer drill 1 is connected via a supply line, not shown, and activates the Control device C for the electric drive motor 3.
  • the control device C With the help of Control device C is the speed of the known hammer drill 1 Drive motor 3 and the tool holder 9 coupled therewith controllable.
  • the control device C comprises a known one Leading edge control.
  • the electric drive motor 3 with a measuring device 12 is for coupled the reaction torque, which in operation on the drive motor 3rd acts.
  • the measuring device 12 is preferably by means of strain gauges or Load cells formed, which on the suspension 13, 14 of the electric drive motor 3 are arranged.
  • strain gauges or load cells are for example from available from Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, D-6100 Darmstadt 1.
  • a suitable strain gauge is, for example, in company brochure No. G 24.01.7 described.
  • the control device C comprises an evaluation unit E, which with the Measuring device 12 for the reaction torque is connected.
  • Fig. 1 are the electronic connections symbolized by arrows.
  • the evaluation unit E processes the measured and digitized reaction torques and causes the Control device C to control the speed of the tool holder 9 in such a way that the reaction torque measured during operation on the electric drive motor 3 is maximum.
  • the evaluation unit E is connected to a memory unit M in which Measurement data can be buffered.
  • the storage unit M can also be used for retrieval of the tax information contained therein can be used, as described in more detail below is explained.
  • the Evaluation unit a microprocessor P, which has a special sequence of control enables, as will be explained.
  • Control device C activated (20 or 30).
  • the control device C accesses the control information stored in the storage unit M.
  • the control information says that the greatest reaction torque can be found at defined speed ranges.
  • the Control device C controls the speed in succession to these speed ranges and scans them through.
  • the measuring device 12 is used for each set speed a measurement of the associated reaction torque on electric drive motor 3 (21-23). The measured and digitized measured values are stored in the storage unit and then compared with one another.
  • the control device C provides the evaluation unit E. determined speed (25) and controls it so that the measured The maximum reaction torque remains (26).
  • the control information in the memory unit M is selected such that the Speed ranges to be set conversion angles of 37 ° - 39 °, 46 ° - 50 °, 61 ° - 65 ° and correspond to 91 ° - 98 °.
  • control device C takes the Storage unit M the control information that different one after the other Ideal speeds should be set.
  • Each ideal speed is in a range of ⁇ 5% varies and the associated speed is added to each set speed Reaction torque measured on the electric drive motor 3, digitized and in the memory unit M temporarily (31-33).
  • the control device C adjusts the determined speed (35) and controls it in such a way that the measured reaction torque is maximal remains (36).
  • the control information is in the memory unit M selected such that the ideal speeds to be set Transfer angles of 38 °, 48 °, 63 ° and 95 ° with a tolerance of ⁇ 1 ° each correspond.
  • the speed of the tool holder and the stroke frequency are decoupled, so that an exact determination is possible.
  • the speed of the tool holder 9 is only regulated as a function of the reaction torque measured on the drive motor 3, so that the speed-dependent dependence of the impact frequency is also irrelevant in this case.
  • the reaction torques are measured in speed steps of 2 [rpm].
  • the microprocessor P arranged in the evaluation unit E runs in an advantageous manner controlled in such a way that the setting of the speed of the tool holder 9 after Measurement of the measured reaction torques periodically during operation is monitored and in the case of detected deviations, which speeds outside the specified speed range limits, possibly one Readjustment is initiated.
  • the detection of the reaction torques on electric drive motor takes place about 600 to about 6000 times per minute.
  • the impact-supported hand drill Due to the inventive design of the impact-supported hand drill it can be operated in the optimal performance range. It turns out that at a maximum measured reaction torque also the drilling performance Maximum.
  • the device is always optimal regardless of the surface Power range operated. By operating in the optimal performance range, that is Impact-supported hand drill used very efficiently.
  • the optimized drilling performance shortens the time required to create a dowel hole suitable for dowels is required. This makes the operation of the device even more economical.
  • the Evaluation unit is connected to a storage unit in which different Speed ranges or ideal speeds are set, and the control device is designed such that these speed ranges according to the evaluation unit can be automatically adjusted and varied according to increasing speeds, can after the activation of the control device by the user finding the optimal speed with maximum associated reaction torque in a very short time Time.
  • the optimal speed is controlled independently of the user. This only has to activate the control device once, for example, as to then, with a push button on the handle. The regulation then takes place fully automatic, without any further action on the part of the user. At best, he can changing noise of the electric motor recognize that there is any regulation takes place.

Landscapes

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  • Drilling And Boring (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein schlagunterstütztes Handbohrgerät, insbesondere ein Hammerbohrgerät, gemäss dem Oberbegriff des gattungsbildenden Patentanspruchs 1.
Schlagunterstützte Handbohrgeräte werden in der Bauindustrie, im Installations- und Elektrogewerbe und in verwandten Bereichen eingesetzt. Wegen ihrer hohen Abbauleistung in mineralischen Untergründen, wie beispielsweise Beton, Mauerwerk oder Gestein, haben sich für den professionellen Einsatz insbesondere Hammerbohrgeräte bewährt. Hammerbohrgeräte weisen eine kontinuierlich angetriebene Werkzeugaufnahme und einen motorisch betätigbaren Schlagmechanismus auf. Im Betrieb werden auf ein in die Werkzeugaufnahme eingespanntes Werkzeug in zeitlicher Folge automatisch hammerschlagartige Impulse übertragen, welche die Bearbeitung des Untergrundes unterstützen. Zugleich wird das in die Werkzeugaufnahme eingesetzte Werkzeug kontinuierlich gedreht, um im Untergrund eine dübeltaugliche Aufnahmebohrung zu erstellen. Bei den bekannten Hammerbohrgeräten grosser Abbauleistung, beispielsweise der Geräteserie der Anmelderin, ist der Schlagmechanismus ein elektropneumatisches Schlagwerk, welches im Betrieb auf das Werkzeug longitudinale Stösse überträgt.
Mit jedem Schlag wird die an der Werkzeugspitze befindliche Schneide in den Untergrund eingetrieben und erzeugt eine kleine Kerbe. Durch die kontinuierliche Drehbewegung des Werkzeugs wird der Untergrund durch Scherung abgetragen. Der Winkel, den die Schneide an der Spitze des kontinuierlich gedrehten Werkzeuges zwischen zwei Schlägen überstreicht, wird als Umsetzwinkel bezeichnet. Bei den bekannten Hammerbohrgeräten wird der Umsetzwinkel derart gewählt, dass erst nach einigen vollständigen Umdrehungen eine periodische Wiederholung auftritt. Auf diese Weise soll vermieden werden, dass die Schneide an der Werkzeugspitze in unmittelbarer Folge in bereits vorhandene Kerben schlägt und diese weiter vertieft. Bei periodischen Umsetzwinkeln, wie beispielsweise 30°, 36°, 45°, 52°, 60° usw., können die Kerben soweit vertieft werden, dass die Scherwirkung nur mehr unzureichend Material abträgt, wodurch die Bohrleistung des Gerätes stark vermindert wird. Aus diesem Grund werden derartige periodische Umsetzwinkel durch geeignete Auslegung des Getriebes des Hammerbohrgerätes vermieden.
Während bei den bekannten schlagunterstützten Handbohrgeräten, insbesondere mit Hammerbohrgeräten, bereits eine gute Abbauleistung erzielbar ist, besteht dennoch der Wunsch, die Abbauleistung insbesondere von spröde versagenden Untergründen noch weiter zu verbessern. Es soll ein schlagunterstütztes Handbohrgerät geschaffen werden, das in unterschiedlichen mineralischen Untergründen mit optimaler Bohrleistung betrieben werden kann. Dabei soll die Handhabung des Gerätes für den Anwender keine zusätzlichen Bedienungsschritte erfordern.
Die GB2160320A offenbart eine, auch für ein Handbohrgerät mit üblichen Merkmalen anwendbare, beanspruchungsabhängige, vorteilhaft mikroprozessorgesteuert periodisch wiederholt messende, selbstoptimierende Regelung für die Drehzahl der Werk- zeugaufnahme zum Zweck der Optimierung der Bohrleistung. Als Messgrösse dienen Beanspruchungswellen im Schaft des Werkzeugs, welche an verschiedenen Punkten am Schaft des Werkzeugs gemessen und integriert als Energiekomponenten ausgewertet werden. Nachteilig ist die aufwendige Messung der Beanspruchungswellen und deren Auswertung über eine Integration. Zudem führt eine Messung am Schaft des Werkzeugs aufgrund der longitudinalen Schläge zur Ermüdung der Messeinrichtung.
Die US4660656 offenbart eine Reaktionsdrehmomentmessung im hydraulischen Antriebsmotor eines Werkzeugs und eine über Gewichte realisierte Regelung des Vorschubs zur Gewährleistung eines konstanten Reaktionsdrehmoments. Eine derartige Regelung über den Vorschub ist auf ein Handbohrgerät nicht anwendbar.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem schlagunterstützten Handbohrgerät, insbesondere einem Hammerbohrgerät, welches die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale aufweist. Das erfindungsgemässe schlagunterstützte Handbohrgerät besitzt einen elektrischen Antriebsmotor für eine um ihre Längsachse kontinuierlich rotierbare Werkzeugaufnahme, eine mit dem elektrischen Antriebsmotor zusammenwirkende Regelungseinrichtung für die Umdrehungszahl der Werkzeugaufnahme, und ein Schlagwerk für die periodische Abgabe von axialen Schlägen auf ein in die Werkzeugaufnahme eingespanntes Werkzeug. Der elektrische Antriebsmotor ist mit einer Messeinrichtung für das Reaktionsdrehmoment gekoppelt. Die Regelungseinrichtung umfasst eine Auswerteeinheit, welche mit der Messeinrichtung für das Reaktionsdrehmoment verbunden ist und über welche die Drehzahl der Werkzeugaufnahme derart regelbar ist, dass das im Betrieb am Antriebsmotor gemessene Reaktionsdrehmoment maximal ist.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung des schlagunterstützten Handbohrgerätes kann dieses im optimalen Leistungsbereich betrieben werden. Es zeigt sich, dass bei einem maximalen gemessenen Reaktionsdrehmoment auch die Bohrleistung ein Maximum aufweist. Das Gerät wird unabhängig vom Untergrund immer im optimalen Leistungsbereich betrieben. Dabei werden vom Anwender keinerlei zusätzliche Bedienungsschritte gefordert. Durch den Betrieb im optimalen Leistungsbereich wird das schlagunterstützte Handbohrgerät sehr effizient eingesetzt. Die optimierte Bohrleistung verkürzt die Zeit, die für die Erstellung einer dübeltauglichen Aufnahmebohrung erforderlich ist. Dadurch wird der Betrieb des Gerätes noch wirtschaftlicher.
In einer besonders einfachen Ausführungsvariante der Messeinrichtung umfasst diese Dehnmessstreifen oder Wägezellen, welche an der Aufhängung des elektrischen Antriebsmotors im Gehäuse angeordnet sind. Die gewählte Anordnung der Dehnmessstreifen oder Wägezellen erfordert keinen besonderen konstruktiven Aufwand. Drehmomentmessverfahren mittels Dehnmessstreifen oder Wägezellen sind erprobt und unter den Belastungen, denen schlagunterstützte Handbohrgeräte mitunter ausgesetzt sind, mit ausreichend hoher Genauigkeit durchzuführen.
Indem die Auswerteeinheit mit einer Speichereinheit verbunden ist, in der verschiedene Drehzahlbereiche festgelegt sind, und die Regelungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass nach Massgabe der Auswerteeinheit diese Drehzahlbereiche nach zunehmenden Drehzahlen automatisch einstellbar sind, kann nach dem Aktivieren der Regelungseinrichtung durch den Anwender das Auffinden der optimalen Drehzahl mit maximalem zugehörigen Reaktionsdrehmoment in sehr kurzer Zeit erfolgen. Dazu wird für jede eingestellte Drehzahl das zugehörige Reaktionsdrehmoment bestimmt und in der Speichereinheit festgehalten. Danach regelt die Regelungseinrichtung selbsttätig auf diejenige Drehzahl der Werkzeugaufnahme, welche dem grössten Wert der gemessenen Reaktionsdrehmomente entspricht. Diese Regelung erfolgt unabhängig vom Anwender. Dieser muss nur einmal die Regelungseinrichtung aktivieren, beispielsweise, wie bis anhin, über einen Druckknopf am Handgriff. Danach erfolgt die Regelung vollautomatisch, ohne ein weiteres Zutun des Anwenders. Er kann bloss am Geräusch des Elektromotors erkennen, dass eine Regelung stattfindet.
Die in der Speichereinheit festgelegten Drehzahlbereiche entsprechen vorzugsweise Umsetzwinkeln von 37° - 39°, 46° - 50°, 61° - 65° und 91° - 98°. Der Zusammenhang zwischen dem Umsetzwinkel und der Drehzahl der Werkzeugaufnahme bzw. der Schneide an der Spitze eines in dieselbe eingespannten Werkzeuges ist dabei durch die Beziehung Umsetzwinkel [°] = Drehzahl [U/min]·360[°]·1/Schlagfrequenz [1/Hz] gegeben. Diese Beziehung dient der näherungsweisen Bestimmung der optimalen Drehzahlbereiche bzw. Umsetzwinkel. Während des Betriebes werden die den Umsetzwinkelbereichen entsprechenden Drehzahlbereiche angesteuert und die Drehzahlen entsprechend variiert. Dabei wird zu jeder eingestellten Drehzahl das zugehörige Reaktionsdrehmoment am Antriebsmotor bestimmt. Schliesslich wird die optimale Drehzahl, mit der das schlagunterstützte Handbohrgerät betrieben werden soll, durch die Regelungseinrichtung auf diejenige Drehzahl geregelt, bei der das grösste Reaktionsdrehmoment gemessen wurde.
In einer Variante der Erfindung sind in der Speichereinheit verschiedene ldealdrehzahlen festgelegt. Die Regelungseinrichtung ist derart ausgelegt, dass nach Massgabe der Auswerteeinheit diese Idealdrehzahlen automatisch einstellbar sind und die Drehzahl der Werkzeugaufnahme jeweils in einem Bereich von ± 5% der ldealdrehzahl variierbar ist. Zu jeder Drehzahl wird das jeweils zugehörige Reaktionsdrehmoment gemessen und in der Speichereinheit abgelegt. Danach ist die Drehzahl der Werkzeugaufnahme innerhalb einer engen Toleranz von ± 1° automatisch auf diejenige Drehzahl regelbar, bei der das maximale Reaktionsdrehmoment festgestellt wurde. Bei dieser Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung entsprechen die Idealdrehzahlen somit Umsetzwinkeln von 38°, 48°, 63° und 95°, jeweils mit einer Toleranz von ± 1°, wobei der Zusammenhang zwischen der Drehzahl und dem Umsetzwinkel gemäss der oben angeführten Beziehung gegeben ist. Bei beiden geschilderten Varianten der Erfindung sind näherungsweise Drehzahlbereiche vorgegeben, in denen ein möglichst grosses Reaktionsdrehmoment zu erwarten ist.
Die in die Beziehung zwischen dem Umsetzwinkel und der Drehzahl der Werkzeugaufnahme eingehende Schlagfrequenz ist insbesondere bei den bekannten Hammerbohrgeräten mit elektropneumatischem Schlagwerk keine Konstante, sondern verändert sich mit der Drehzahl. Für die näherungsweise Bestimmung der Drehzahlbereiche spielt dies aber keine Rolle. Während des Betriebes des erfindungsgemässen Gerätes erfolgt die Regelung der Drehzahl der Werkzeugaufnahme nur mehr in Abhängigkeit vom gemessenen Reaktionsdrehmoment, so dass auch in diesem Fall die Drehzahlabhängigkeit der Schlagfrequenz ohne Bedeutung ist.
In einer Variante der Erfindung umfasst die Auswerteeinheit einen Mikroprozessor, der derart gesteuert abläuft, dass die Einstellung der Drehzahl der Werkzeugaufnahme nach Massgabe der gemessenen Reaktionsdrehmomente während des Betriebs periodisch überwacht wird und bei detektierten Abweichungen, die Drehzahlen ausserhalb der angegebenen Bereichsgrenzen entsprechen, gegebenenfalls eine Nachregelung veranlasst wird.
Das Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäss ausgestatteten schlagunterstützten Handbohrgerätes zeichnet sich dadurch aus, dass das Reaktionsdrehmoment am Antriebsmotor von der Messeinrichtung periodisch gemessen wird und die Messwerte an die Auswerteeinheit weitergeleitet werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird über die Regelungseinrichtung die Drehzahl der Werkzeugaufnahme nach Massgabe der Auswerteeinheit derart geregelt, dass das gemessene Reaktionsdrehmoment maximal ist. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich durch seinen einfachen Regelkreis aus, bei dem im wesentlichen nur eine einzige Regelgrösse zu betrachten ist.
Vorzugsweise stellt die Regelungseinrichtung nach ihrer Aktivierung automatisch diejenige Drehzahl der Werkzeugaufnahme ein, bei der erwartet wird, dass das gemessene Reaktionsdrehmoment maximal ist. Dazu werden in der Speichereinheit festgelegte Drehzahlwerte nacheinander abgefahren und die zugehörigen gemessenen Reaktionsdrehmomente gemessen und in der Speichereinheit festgehalten. Die Regelungseinheit regelt die Drehzahl der Werkzeugaufnahme schliesslich auf die aufgefundene optimale Drehzahl und überprüft kontinuierlich, ob die Regelungsbedingung erfüllt ist, d.h. das gemessene Reaktionsdrehmoment am Antriebsmotor maximal ist, und regelt gegebenenfalls nach. Dadurch ist sichergestellt, dass das schlagunterstützte Handbohrgerät immer im optimalen Leistungsbereich betrieben wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen. Es zeigen:
Fig. 1
eine Darstellung der Funktionsblöcke eines schlagunterstützten Handbohrgerätes gemäss der Erfindung; und
Fig. 2 und 3
zwei Ablaufdiagramme zur Erläuterung der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein schlagunterstütztes Handbohrgerät gemäss der Erfindung gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Bei dem schematisch anhand seiner Funktionsblöcke dargestellten Handbohrgerät handelt es sich insbesondere um ein Hammerbohrgerät mit elektropneumatischem Schlagwerk. Die einzelnen mechanischen und elektrischen Funktionsblöcke sind in einem Gehäuse 2 angeordnet. Die mechanischen Funktionsblöcke umfassen einen elektrischen Antriebsmotor 3, ein elektropneumatisches Schlagwerk 5, ein Getriebe 7 und eine Werkzeugaufnahme 9, in die ein Werkzeug 10 eingesetzt ist. Die kraftübertragende Koppelung der mechanischen Funktionsblöcke untereinander ist durch Doppelstriche angedeutet. Der elektrische Antriebsmotor 3 ist über eine mechanische Verbindung 4 mit dem elektropneumatischen Schlagwerk 5 verbunden. Auf diese Weise wird über einen Exzenter ein Erregerkolben 51 angetrieben, der einen Flugkolben 52 beschleunigt, welcher auf einen Döpper 53 schlägt, der sich in die Werkzeugaufnahme 9 fortsetzt und die axialen Schläge auf das in die Werkzeugaufnahme 9 eingespannte Werkzeug überträgt.
Der elektrische Antriebsmotor 3 ist über eine zweite mechanische Verbindung 6 mit einem Getriebe 7 verbunden, in dem die Umdrehungen des elektrischen Motors in einem fest vorgegebenen Verhältnis übersetzt bzw. untersetzt werden. Eine weitere mechanische Verbindung 8 überträgt die Drehbewegung des elektrischen Antriebs 3 bzw. des Getriebes 7 auf die Werkzeugaufnahme 9, welche dadurch im Betrieb kontinuierlich um ihre Achse rotiert wird. Die kontinuierliche Drehbewegung der Werkzeugaufnahme 9 wird auf das eingespannte Werkzeug 10 übertragen. Durch die Überlagerung der kontinuierlichen Drehbewegung und der axialen Schläge an der Schneide 11 an der Spitze des Werkzeuges 10 kann eine dübeltaugliche Bohrung erstellt werden.
Die Inbetriebnahme des Hammerbohrgerätes 1 erfolgt mittels eines Schalters S am Griffteil des Gehäuses 1. Der Schalter S schliesst den Kontakt zur Energiequelle, welche ein Akkumulator oder das elektrische Netz sein kann, an welches das Hammerbohrgerät 1 über eine nicht dargestellte Versorgungsleitung angeschlossen ist, und aktiviert die Regelungseinrichtung C für den elektrischen Antriebsmotor 3. Mit Hilfe der Regelungseinrichtung C ist bei den bekannten Hammerbohrgeräten 1 die Drehzahl des Antriebsmotors 3 bzw. der damit gekoppelten Werkzeugaufnahme 9 regelbar. Beispielsweise umfasst die Regelungseinrichtung C eine bekannte Phasenanschnittsteuerung.
Erfindungsgemäss ist der elektrische Antriebsmotor 3 mit einer Messeinrichtung 12 für das Reaktionsdrehmoment gekoppelt, welches im Betrieb auf den Antriebsmotor 3 einwirkt. Die Messeinrichtung 12 ist vorzugsweise durch Dehnmessstreifen oder Wägezellen gebildet, welche an der Aufhängung 13, 14 des elektrischen Antriebsmotors 3 angeordnet sind. derartige Dehnmessstreifen bzw. Wägezellen sind beispielsweise von der Firma Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, D-6100 Darmstadt 1 erhältlich. Ein geeigneter Dehnmessstreifen ist beispielsweise im Firmenprospekt Nr. G 24.01.7 beschrieben. Im Firmenprospekt Nr. G 21.04.9 ist neben anderen auch eine Wägezelle mit der Typenbezeichnung Z8 beschrieben, welche beispielsweise zum Einsatz kommen kann.
Die Regelungseinrichtung C umfasst eine Auswerteeinheit E, welche mit der Messeinrichtung 12 für das Reaktionsdrehmoment verbunden ist. In Fig. 1 sind die elektronischen Verbindungen durch Pfeile symbolisiert. Die Auswerteeinheit E verarbeitet die gemessenen und digitalisierten Reaktionsdrehmomente und veranlasst die Regelungseinrichtung C, die Drehzahl der Werkzeugaufnahme 9 derart zu regeln, dass das im Betrieb am elektrischen Antriebsmotor 3 gemessene Reaktionsdrehmoment maximal ist. Die Auswerteeinheit E ist mit einer Speichereinheit M verbunden, in der Messdaten zwischenspeicherbar sind. Die Speichereinheit M kann auch für den Abruf von darin enthaltener Steuerinformation eingesetzt werden, wie weiter unten näher erläutert wird. Gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Auswerteeinheit einen Mikroprozessor P, der einen speziellen Ablauf der Regelung ermöglicht, wie noch erläutert wird.
In den Fig. 2 und 3 sind zwei Varianten des Ablaufes der Drehzahlregelung der Werkzeugaufnahme 9 dargestellt und durch Ablaufanweisungen 20 - 26 bzw. 30 - 36 wiedergegeben. Durch Betätigung des Schalters S am Griffteil des Gehäuses 1 wird die Regelungseinrichtung C aktiviert (20 bzw. 30). Die Regelungseinrichtung C greift auf die in der Speichereinheit M abgelegte Steuerinformation zu. Bei der Variante der Erfindung gemäss dem Ablaufdiagramm nach Fig. 2 besagt die Steuerinformation, dass das grösste Reaktionsdrehmoment bei definierten Drehzahlbereichen zu finden ist. Die Regelungseinrichtung C regelt die Drehzahl nacheinander auf diese Drehzahlbereiche und scannt diese durch. Dabei erfolgt mit Hilfe der Messeinrichtung 12 zu jeder eingestellten Drehzahl eine Messung des zugehörigen Reaktionsdrehmomentes am elektrischen Antriebsmotor 3 (21 - 23). Die gemessenen und digitalisierten Messwerte werden in der Speichereinheit abgelegt und danach miteinander verglichen. Durch Vergleich der gemessenen Reaktionsdrehmomente wird das maximale Reaktionsdrehmoment ermittelt und die zugehörige Drehzahl der Werkzeugaufnahme 9 bestimmt (24). Danach stellt die Regelungseinrichtung C die von der Auswerteeinheit E ermittelte Drehzahl ein (25) und regelt diese derart, dass das gemessene Reaktionsdrehmoment maximal bleibt (26). In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Steuerinformationen in der Speichereinheit M derart gewählt, dass die einzustellenden Drehzahlbereiche Umsetzwinkeln von 37° - 39°, 46° - 50°, 61° - 65° und 91° - 98° entsprechen.
Bei der im Ablaufdiagramm gemäss Fig. 3 dargestellten Variante der Erfindung verläuft die Regelung sehr ähnlich. In diesem Fall entnimmt die Regelungseinrichtung C der Speichereinheit M die Steuerinfomation, dass nacheinander verschiedene ldealdrehzahlen eingestellt werden sollen. Jede Idealdrehzahl wird in einem Bereich von ± 5 % variiert und zu jeder eingestellten Drehzahl wird das zugehörige Reaktionsdrehmoment am elektrischen Antriebsmotor 3 gemessen, digitalisiert und in der Speichereinheit M zwischengespeichert (31 - 33). Wie bei der zuvor geschilderten Variante der Erfindung, erfolgt sodann ein Vergleich der gemessenen Reaktionsdrehmomente, die Bestimmung des Maximalwertes und die Ermittlung der zugehörigen Drehzahl (34). Die Regelungseinrichtung C stellt die ermittelte Drehzahl ein (35) und regelt diese derart, dass das gemessene Reaktionsdrehmoment maximal bleibt (36). In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Steuerinformationen in der Speichereinheit M derart gewählt, dass die einzustellenden Idealdrehzahlen Umsetzwinkeln von 38°, 48°, 63° und 95° mit einer Toleranz von jeweils ± 1° entsprechen.
Der Zusammenhang zwischen dem Umsetzwinkel und der Drehzahl der Werkzeugaufnahme bzw. der Schneide an der Spitze eines in dieselbe eingespannten Werkzeuges ist dabei durch die Beziehung Umsetzwinkel [°] = Drehzahl [U/min]·360[°]·1/Schlagfrequenz [1/Hz] gegeben. Diese Beziehung dient der näherungsweisen Bestimmung der optimalen Drehzahlbereiche bzw. der ldealdrehzahlen. Die in die Beziehung zwischen dem Umsetzwinkel und der Drehzahl der Werkzeugaufnahme 9 eingehende Schlagfrequenz ist insbesondere bei den bekannten Hammerbohrgeräten 1 mit nur einem Antriebsmotor 3 für die Werkzeugaufnahme 9 und das elektropneumatische Schlagwerk 5 keine Konstante, sondern verändert sich mit der Drehzahl. Für die näherungsweise Bestimmung der Drehzahlbereiche bzw. der ldealdrehzahlen spielt dies aber keine Rolle. Im Falle von separaten Antriebsmotoren für die Werkzeugaufnahme und das Schlagwerk sind die Drehzahl der Werkzeugaufnahme und die Schlagfrequenz entkoppelt, so dass eine exakte Bestimmung möglich ist. Während des Betriebes des erfindungsgemässen Gerätes 1 erfolgt die Regelung der Drehzahl der Werkzeugaufnahme 9 nur mehr in Abhängigkeit vom am Antriebsmotor 3 gemessenen Reaktionsdrehmoment, so dass auch in diesem Fall die Drehzahlabhängigkeit der Schlagfrequenz ohne Bedeutung ist. Zur Bestimmung der optimalen Drehzahl erfolgt die Messung der Reaktionsdrehmomente in Drehzahlschritten von 2 [U/min].
Der in der Auswerteeinheit E angeordnete Mikroprozessor P läuft in vorteilhafter Weise derart gesteuert ab, dass die Einstellung der Drehzahl der Werkzeugaufnahme 9 nach Massgabe der gemessenen Reaktionsdrehmomente während des Betriebs periodisch überwacht wird und bei detektierten Abweichungen, welche Drehzahlen ausserhalb der angegebenen Drehzahlbereichsgrenzen entsprechen, gegebenenfalls eine Nachregelung veranlasst wird. Die Erfassung der Reaktionsdrehmomente am elektrischen Antriebsmotor erfolgt dabei etwa 600 bis etwa 6000 mal je Minute.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung des schlagunterstützten Handbohrgerätes kann dieses im optimalen Leistungsbereich betrieben werden. Es zeigt sich, dass bei einem maximalen gemessenen Reaktionsdrehmoment auch die Bohrleistung ein Maximum aufweist. Das Gerät wird unabhängig vom Untergrund immer im optimalen Leistungsbereich betrieben. Durch den Betrieb im optimalen Leistungsbereich wird das schlagunterstützte Handbohrgerät sehr effizient eingesetzt. Die optimierte Bohrleistung verkürzt die Zeit, die für die Erstellung einer dübeltauglichen Aufnahmebohrung erforderlich ist. Dadurch wird der Betrieb des Gerätes noch wirtschaftlicher. Indem die Auswerteeinheit mit einer Speichereinheit verbunden ist, in der verschiedene Drehzahlbereiche bzw. Idealdrehzahlen festgelegt sind, und die Regelungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass nach Massgabe der Auswerteeinheit diese Drehzahlbereiche nach zunehmenden Drehzahlen automatisch einstellbar und variierbar sind, kann nach dem Aktivieren der Regelungseinrichtung durch den Anwender das Auffinden der optimalen Drehzahl mit maximalem zugehörigen Reaktionsdrehmoment in sehr kurzer Zeit erfolgen. Die Regelung der optimalen Drehzahl erfolgt unabhängig vom Anwender. Dieser muss nur einmal die Regelungseinrichtung aktivieren, beispielsweise, wie bis anhin, über einen Druckknopf am Handgriff. Danach erfolgt die Regelung vollautomatisch, ohne ein weiteres Zutun des Anwenders. Er kann allenfalls am sich verändernden Geräusch des Elektromotors erkennen, dass überhaupt eine Regelung stattfindet.

Claims (10)

  1. Schlagunterstütztes Handbohrgerät, mit einem elektrischen Antriebsmotor (3) für eine um ihre Längsachse kontinuierlich rotierbare Werkzeugaufnahme (9), einem Schlagwerk (5) für die periodische Abgabe von axialen Schlägen auf ein in die Werkzeugaufnahme (9) eingespanntes Werkzeug (10) und mit einer Regelungseinrichtung (C) des zugeordneten elektrischen Antriebsmotors (3) mit einer Messeinrichtung (12) für die Beanspruchung und einer zugeordneten Auswerteeinheit (E) für eine selbstoptimierende Regelung der Drehzahl der Werkzeugaufnahme (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) zur Messung des Reaktionsdrehmoments mit dem elektrischen Antriebsmotor (3) gekoppelt ist und dass zur selbstoptimierenden Regelung über die Auswerteeinheit (E) die dem maximalen Reaktionsdrehmoment zugeordnete Drehzahl selbsttätig einregelbar ist.
  2. Schlagunterstütztes Handbohrgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) Dehnmessstreifen oder Wägezellen umfasst, welche an der Aufhängung (13, 14) des elektrischen Antriebsmotors (3) in einem Gehäuse (2) angeordnet sind.
  3. Schlagunterstütztes Handbohrgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (E) mit einer Speichereinheit (M) verbunden ist, in der verschiedene Drehzahlbereiche festgelegt sind, dass die Regelungseinrichtung (C) derart ausgebildet ist, dass nach Massgabe der Auswerteeinheit (E) diese Drehzahlbereiche nach zunehmenden Drehzahlen automatisch einstellbar sind, wobei für jede eingestellte Drehzahl das zugehörige Reaktionsdrehmoment bestimmt und in der Speichereinheit (M) festgehalten wird, und dass danach auf diejenige Drehzahl der Werkzeugaufnahme (9) geregelt wird, welche dem grössten Wert der gemessenen Reaktionsdrehmomente entspricht.
  4. Schlagunterstütztes Handbohrgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Speichereinheit (M) festgelegten Drehzahlbereiche Umsetzwinkeln von 37° - 39°, 46° - 50°, 61° - 65° und 91° - 98° entsprechen.
  5. Schlagunterstütztes Handbohrgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (E) mit einer Speichereinheit (M) verbunden ist, in der verschiedene ldealdrehzahlen festgelegt sind, und dass über die Regelungseinrichtung (C) nach Massgabe der Auswerteeinheit (E) die Idealdrehzahlen automatisch einstellbar und die Drehzahl der Werkzeugaufnahme (9) jeweils in einem Bereich von ± 10% der Idealdrehzahl variierbar ist, wobei jeweils die zugehörigen Reaktionsdrehmomente gemessen und in der Speichereinheit (M) abgelegt werden, und dass danach die Drehzahl der Werkzeugaufnahme (9) auf diejenige Drehzahl regelbar ist, bei der das maximale Reaktionsdrehmoment festgestellt wurde.
  6. Schlagunterstütztes Handbohrgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Idealdrehzahlen Umsetzwinkeln von 38°, 48°, 63° und 95° bei einer Toleranz von jeweils ± 1° entsprechen.
  7. Schlagunterstütztes Handbohrgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (E) einen Mikroprozessor (P) umfasst, der periodisch die Einstellung der Drehzahl der Werkzeugaufnahme (9) nach Massgabe der gemessenen Reaktionsdrehmomente überwacht und gegebenenfalls eine Nachregelung veranlasst.
  8. Schlagunterstütztes Handbohrgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (C) über einen an einem Gehäuse (2) angebrachten Schalter (S) von aussen aktivierbar ist.
  9. Verfahren zum Betrieb eines schlagunterstützten Handbohrgerätes (1) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsdrehmoment von der Messeinrichtung (12) periodisch gemessen wird, und die Messwerte an die Auswerteeinheit (E) weitergeleitet werden, und dass die Regelungseinrichtung (C) die Drehzahl der Werkzeugaufnahme (9) nach Massgabe der Auswerteeinheit (E) derart regelt, dass das gemessene Reaktionsdrehmoment maximal ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (C) nach ihrer Aktivierung automatisch diejenige Drehzahl der Werkzeugaufnahme (9) einstellt, bei der das gemessene Reaktionsdrehmoment maximal ist, wobei in der Speichereinheit (M) festgelegte Drehzahlwerte nacheinander abgefahren werden und die zugehörigen gemessenen Reaktionsdrehmomente gemessen und in der Speichereinheit (M) festgehalten werden, und dass die Regelungseinheit (C) die aufgefundene optimale Drehzahl kontinuierlich nachregelt.
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