EP1375077A2 - Pneumatic percussion mechanism - Google Patents

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EP1375077A2
EP1375077A2 EP03405286A EP03405286A EP1375077A2 EP 1375077 A2 EP1375077 A2 EP 1375077A2 EP 03405286 A EP03405286 A EP 03405286A EP 03405286 A EP03405286 A EP 03405286A EP 1375077 A2 EP1375077 A2 EP 1375077A2
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EP
European Patent Office
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sensor
pneumatic
piston
mechanism according
flying
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EP03405286A
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EP1375077B1 (en
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Hanspeter Schad
Hans Böni
Alexander Hoop
Albert Binder
Cristoph Würsch
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Hilti AG
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Hilti AG
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    • B25D17/06—Hammer pistons; Anvils ; Guide-sleeves for pistons
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    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
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    • B25D2250/00—General details of portable percussive tools; Components used in portable percussive tools
    • B25D2250/221—Sensors

Definitions

  • the invention refers to a pneumatic striking mechanism with a flying piston, in particular for an at least partially hitting machine tool, such as a drill Chisel.
  • a conventional at least partially hitting machine tool with a pneumatic impact mechanism is in a partially rotatable guide tube over a Gas spring on, on an anvil and on the front end of a tool, beating Air piston reciprocable.
  • the flying mass is subject to complex oscillation kinematics, their steady state of vibration is characteristic of the boundary conditions depends.
  • the oscillation kinematics of the flying piston together with the other moving parts optimized by simulation calculations and practical experiments and realized constructively.
  • a piezoelectric sensor detects the impacts of the percussion mechanism the tool and in combination with a transmitter allows a regulated Adaptation of impact mechanism behavior to the material to be processed. Such Impact pulse measurement does not allow a comprehensive statement about the Vibration state of the flying piston.
  • the non-contact magnetic field-sensitive sensor which optionally has a permanent magnet for generating the magnetic flux, is the Movement of an axially reciprocating, impacted fly piston measurable.
  • the regions of different magnetic permeability in the flying mass produce at the output of the magnetic field sensitive sensor almost a sinusoidal Signal whose amplitude depends on the distance of the sensor to the flying mass.
  • the magnetic-field-sensitive sensor as, further advantageous differentially switched, solid-state magnetic field sensor such as (Hall sensor, AMR (anisotropic magneto resistance) sensor, GMR (giant magneto resistance) sensor, MR (magnetor resistance) Sensor, Ml (magneto-impedance) sensor or as inductive sensor including coil and Flow guidance executed, which are available as standard components.
  • differential Sensors are less sensitive to the radial play of the flying piston. They only measure the Flow difference between two adjacent positions.
  • the geometry of these areas is different from the air gap and the distance switched magnetic field-sensitive sensors dependent, wherein advantageously the axial Structure size of the areas at least the air gap (distance sensor leading edge to Flying piston) corresponds. Slightly larger structure widths are advantageous to the To increase signal amplitudes.
  • For the measurement of the velocity course of the Air piston are as many axially spaced areas on the piston advantageous.
  • the regions of different magnetic permeability are more than one formed axially spaced, air-filled radial grooves, which are technologically simple can be produced.
  • the senor is radially outside of an optionally rotatable guide tube for the Air piston arranged non-contact, causing a measurement through the guide tube through is possible.
  • the guide tube made of non-ferromagnetic material, whereby the Guide tube has a smaller influence on the flying piston radially outside enforcing measuring magnetic field exerts.
  • the arithmetic unit selectively with respect to the kinematics of the flying piston activatable classification means, such as frequency filters, resulting in different Beat states are detectable and can be assigned, for example when hitting a tool on a structural steel embedded in concrete.
  • the arithmetic unit controls the different, depending on Beat states of the flying piston, activated classification means corresponding Control means, for example, to reduce the engine speed and / or the speed of the Tool and / or the interruption or the regulation of the percussion drive and thus the impact performance.
  • the arithmetic unit with a setpoint memory for an optimal kinematics of the flying mass and optionally further boundary conditions such as impact energy, impact number, Speed etc. connected for different materials to be machined which continues is advantageously organized as a multi-dimensional array, whereby the machine tool automatically adaptive to optimal kinematics of the flying piston and thus to optimum Abbau amalgam einregelbar is.
  • a Leertschposition of the flying piston from the Sensor signal determined and via appropriate control means, such as the electric motor Schlagtechnik deactivatable, which provides additional catch for the flying piston, which place require and thereby extend the machine tool, can be omitted.
  • An impact temperature from the sensor signal is advantageous via the arithmetic unit ascertainable and via appropriate control means such as the electric motor the percussion deactivatable, whereby the life is increased.
  • the sensor 3 is considered to be an internally differentially switched, solid-state Magnetic field sensor is formed and generates a measuring magnetic field H whose magnetic flux in penetrates the radial edge region of the flying piston 2.
  • the radial grooves of the flying piston 2 are 0.8 mm deep and 3.2 mm wide and form a remaining 1.6 mm wide axial Gutter 7 off.
  • the sensor 3 is radially outside a rotatable guide tube. 5 made of non-ferromagnetic chromium steel tapered radially to 0.2 mm in one outer, axial measuring point area X contact-free fixed.
  • the sensor 3 is with a Computing unit 6 connected in the form of a microcontroller, which further with the not shown engine electronics of the electric motor, also not shown is connected.

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Abstract

The pneumatic impact tool has an axially reciprocating piston (2) and a contactless magnetic field sensor (3) positioned radially relative to the piston, for detection of several axially spaced regions (4) of differing magnetic permeability on the radial outside of the latter. A solid-state or inductive magnetic field sensor is used, positioned within a guide sleeve (5) for the piston movement, its signals fed to a microprocessor (6) for calculating the position and/or velocity of the piston.

Description

Die Erfindung bezeichnet ein pneumatisches Schlagwerk mit einem Flugkolben, insbesondere für eine zumindest teilweise schlagende Werkzeugmaschine, wie einen Bohroder Meisselhammer.The invention refers to a pneumatic striking mechanism with a flying piston, in particular for an at least partially hitting machine tool, such as a drill Chisel.

Bei einer üblichen zumindest teilweise schlagenden Werkzeugmaschine mit einem pneumatischen Schlagwerk, ist in einem teilweise drehbaren Führungsrohr über eine Gasfeder ein, auf einen Döpper und weiter auf das Stirnende eines Werkzeugs, schlagender Flugkolben hin- und her bewegbar. Durch die Erregung der Gasfeder über einen Erregerkolben einerseits und die Wechselwirkung des Werkzeugs mit dem zu bearbeitenden Material andererseits, unterliegt der Flugkolben einer komplexen Schwingungskinematik, deren eingeschwungener Schwingungszustand charakteristisch von den Randbedindungen abhängt. Üblicherweise wird die Schwingungskinematik des Flugkolbens gemeinsam mit den weiteren bewegten Teilen durch Simulationsrechnungen und praktische Versuche optimiert und konstruktiv realisiert.In a conventional at least partially hitting machine tool with a pneumatic impact mechanism, is in a partially rotatable guide tube over a Gas spring on, on an anvil and on the front end of a tool, beating Air piston reciprocable. By the excitement of the gas spring over one Exciter piston on the one hand and the interaction of the tool with the machined Material, on the other hand, the flying mass is subject to complex oscillation kinematics, their steady state of vibration is characteristic of the boundary conditions depends. Usually, the oscillation kinematics of the flying piston together with the other moving parts optimized by simulation calculations and practical experiments and realized constructively.

Nach der US3464503 erfasst ein piezoelektrischer Sensor die Schläge des Schlagwerks auf das Werkzeug und gestattet in Kombination mit einer Auswerteelektronik eine geregelte Adaption des Schlagwerkverhaltens an das zu bearbeitende Material. Eine derartige Schlagimpulsmessung ermöglicht keine umfassende Aussage über den Schwingungszustand des Flugkolbens.According to US3464503 a piezoelectric sensor detects the impacts of the percussion mechanism the tool and in combination with a transmitter allows a regulated Adaptation of impact mechanism behavior to the material to be processed. Such Impact pulse measurement does not allow a comprehensive statement about the Vibration state of the flying piston.

Zudem wird nach der DE19956313 bei einem Arbeitszylinder die Position eines fluidgeführten Kolbens mit einem Permanentmagneten mit einem ausserhalb des Führungsrohrs angeordneten Sensor magnetisch erfasst. Eine derartige Anordnung eines Permanentmagneten eignet sich bevorzugt für langsame Kolben, welche nicht schlagend beansprucht werden.In addition, according to DE19956313 in a working cylinder, the position of a fluid-guided piston with a permanent magnet with one outside the Guide tube arranged magnetically detected. Such an arrangement of Permanent magnets are preferably suitable for slow pistons, which are not hitting be claimed.

Zudem wird nach der DE3210716 mit einem radial aussen, berührungslos zugeordneten magnetoresistiven Sensors eine hohe Geschwindigkeit eines, mit mehreren axial beabstandeten Ringbereichen unterschiedlicher Permeabilität versehenen, Kolbens magnetisch erfasst, indem die Änderung des magnetischen Flusses radial aussen durch den Kolben erfasst wird.In addition, according to DE3210716 with a radially outside, contactless assigned magnetoresistive sensor a high speed one, with multiple axial spaced annular regions of different permeability provided piston magnetically detected by the change of magnetic flux radially outward through the Piston is detected.

Es ist die Aufgabe der Erfindung bei einem pneumatischen Schlagwerk mit einem Flugkolben dessen Bewegung zumindest stückweise messtechnisch zu erfassen. Ein weiterer Aspekt besteht in der Realisierung einer Werkzeugmaschine mit einer auf einer Messung der Bewegung des Flugkolbens beruhenden Steuerung bzw. Regelung.It is the object of the invention in a pneumatic percussion with a Flying Piston to detect its movement at least piecemeal metrologically. One Another aspect is the realization of a machine tool with one on one Measurement of the movement of the air piston-based control.

Die Aufgabe wird im wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is essentially achieved by the features of the independent claims. Advantageous developments emerge from the subclaims.

Erfindungsgemäss weist ein pneumatisches Schlagwerk mit einem axial hin- und herbewegten, schlagend beanspruchten Flugkolben einen radial zu diesem berührungslos angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor auf, wobei der Flugkolben zumindest radial aussen ferromagnetisches Material aufweist und mehrere axial beabstandete Bereiche unterschiedlicher magnetischer Permeabilität aufweist.According to the invention, a pneumatic striking mechanism with an axially back and herbewegten, hitting claimed flying pistons a radial to this contactless arranged magnetic field-sensitive sensor, wherein the flying piston at least radially outside ferromagnetic material and a plurality of axially spaced portions having different magnetic permeability.

Durch den berührungslos angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor, welcher optional in sich einen Permanentmagneten zur Erzeugung des magnetischen Flusses aufweist, ist die Bewegung eines axial hin- und herbewegten, schlagend beanspruchten Flugkolbens messbar. Die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Permeabilität im Flugkolben erzeugen am Ausgang des magnetfeldempfindlichen Sensors nahezu ein sinusförmiges Signal, dessen Amplitude abhängig vom Abstand des Sensors zum Flugkolben ist.Due to the non-contact magnetic field-sensitive sensor, which optionally has a permanent magnet for generating the magnetic flux, is the Movement of an axially reciprocating, impacted fly piston measurable. The regions of different magnetic permeability in the flying mass produce at the output of the magnetic field sensitive sensor almost a sinusoidal Signal whose amplitude depends on the distance of the sensor to the flying mass.

Vorteilhaft ist der magnetfeldempfindliche Sensor als, weiter vorteilhaft differentiell geschalteter, solid-state Magnetfeldsensor wie (Hall -Sensor, AMR (anisotropic magneto resistance) -Sensor, GMR (giant magneto resistance) - Sensor, MR (magnetor resistance) - Sensor, Ml (magneto impedance) -Sensor oder als induktiver Sensor inklusive Spule und Flussführung ausgeführt, welche jeweils als Standardbauteile verfügbar sind. Differentielle Sensoren sind unempfindlicher auf das radiale Spiel des Flugkolbens. Sie messen nur den Fluss-Unterschied zwischen zwei benachbarten Positionen.Advantageously, the magnetic-field-sensitive sensor as, further advantageous differentially switched, solid-state magnetic field sensor such as (Hall sensor, AMR (anisotropic magneto resistance) sensor, GMR (giant magneto resistance) sensor, MR (magnetor resistance) Sensor, Ml (magneto-impedance) sensor or as inductive sensor including coil and Flow guidance executed, which are available as standard components. differential Sensors are less sensitive to the radial play of the flying piston. They only measure the Flow difference between two adjacent positions.

Die Geometrie dieser Bereiche ist vom Luftspalt und vom Abstand der differentiell geschalteten magnetfeldempfindlichen Sensoren abhängig, wobei vorteilhaft die axiale Strukturgrösse der Bereiche mindestens dem Luftspalt (Abstand Sensorvorderkante zum Flugkolben) entspricht. Etwas grössere Strukturbreiten sind vorteilhaft, um die Signalamplituden zu vergrössern. Für die Messung des Geschwindigkeitsverlaufes des Flugkolbens sind möglichst viele axial beabstandete Bereiche auf dem Kolben von Vorteil. The geometry of these areas is different from the air gap and the distance switched magnetic field-sensitive sensors dependent, wherein advantageously the axial Structure size of the areas at least the air gap (distance sensor leading edge to Flying piston) corresponds. Slightly larger structure widths are advantageous to the To increase signal amplitudes. For the measurement of the velocity course of the Air piston are as many axially spaced areas on the piston advantageous.

Wertet man z.B. nur die Nulldurchgänge aus, so erhält man pro Periode der Bereiche zwei Geschwindigkeitsinformationen. Ist bei differentiell geschalteten Sensoren der axiale Abstand T dieser beiden Sensoren gegeben (z.B. Tsens=0.8 oder 2.0 mm), so sollte sich die Periode der Bereiche an diesem Abstand orientieren. Die optimale Periode der Bereiche wäre dann das Doppelte des Abstandes der Sensoren (TBereich=1.6mm bzw. 4 mm). Weiter vorteilhaft ist zudem, die Sensoren phasenversetzt im Abstand (2n+1)/2*TBereich zu plazieren (n = 0,1,2,...).If, for example, one evaluates only the zero crossings, one obtains two speed information per period of the ranges. If, in the case of differentially connected sensors, the axial distance T of these two sensors is given (eg T sens = 0.8 or 2.0 mm), the period of the regions should be oriented at this distance. The optimum period of the ranges would then be twice the distance of the sensors (T range = 1.6 mm or 4 mm). It is also advantageous to place the sensors out of phase at a distance (2n + 1) / 2 * T range (n = 0,1,2, ...).

Vorteilhaft sind die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Permeabilität durch mehrere axial beabstandete, luftgefüllte Radialrillen ausgebildet, welche technologisch einfach herstellbar sind.Advantageously, the regions of different magnetic permeability are more than one formed axially spaced, air-filled radial grooves, which are technologically simple can be produced.

Vorteilhaft sind die Radialrillen 0,1 - 1,5 mm, optimal 0,8 mm tief und 0,5 - 5,0 mm, optimal 3,2 mm breit und bilden einen verbleibenden von 0,1 - 3,0 mm, optimal 1,6 mm breiten axialen Zwischensteg aus, wodurch grosse Permeabilitätsunterschiede bei der Vorbeibewegung am Sensor auftreten.Advantageously, the radial grooves 0.1 - 1.5 mm, optimally 0.8 mm deep and 0.5 - 5.0 mm, optimal 3.2 mm wide and form a remaining of 0.1 - 3.0 mm, optimally 1.6 mm wide axial gutter, whereby large permeability differences in the Moving past the sensor occur.

Vorteilhaft ist der Sensor radial ausserhalb eines optional drehbaren Führungsrohres für den Flugkolben berührungslos angeordnet, wodurch eine Messung durch das Führungsrohr hindurch möglich ist.Advantageously, the sensor is radially outside of an optionally rotatable guide tube for the Air piston arranged non-contact, causing a measurement through the guide tube through is possible.

Vorteilhaft ist das Führungsrohr im axialen Messstellenbereich aussen radial auf 0,1 - 2,0 mm, optimal 0,2 mm verjüngt, wodurch bei einem hinreichend beulsteifen / biegesteifen Führungsrohr der Abstand des Sensors zum Flugkolben verringerbar ist.Advantageously, the guide tube in the axial measuring point area outside radially to 0.1 - 2.0 mm, optimally 0.2 mm tapered, resulting in a sufficiently bulge / bending Guide tube, the distance between the sensor and the flying piston can be reduced.

Vorteilhaft besteht das Führungsrohr aus nichtferromagnetischem Material, wodurch das Führungsrohr einen geringeren Einfluss auf das den Flugkolben radial aussen durchsetzende Messmagnetfeld ausübt.Advantageously, the guide tube made of non-ferromagnetic material, whereby the Guide tube has a smaller influence on the flying piston radially outside enforcing measuring magnetic field exerts.

Vorteilhaft ist der Sensor mit einer Recheneinheit verbunden, welche aus dem zeitlichen Verlauf des Sensorsignals, welches den vom Sensor erfassten Permeabilitätsschwankungen bei der Vorbeibewegung der Bereiche unterschiedlicher Permeabilität entspricht, eine Position und/oder Geschwindigkeit des Flugkolbens ermittelt, wodurch ein Rückschluss auf den eingeschwungenen Schwingungszustand des Flugkolbens möglich ist. Die Recheneinheit verwendet dazu übliche Methoden der Signalverarbeitung wie:

  • Nulldurchgänge, Maxima und Minima
  • Curve-Fitting (Stückweise cos-Fit, nonlinear leastqueres fit)
  • Demodulation
  • Fourier-Transformation, Power-Spektrum
  • Filterung (Autoregressive Filter zur Spektralschätzung)
  • Frequenzschätzmethoden (time-frequency analysis)
Advantageously, the sensor is connected to a computing unit which determines a position and / or velocity of the flying mass from the time profile of the sensor signal, which corresponds to the permeability fluctuations detected by the sensor as the regions of different permeability move past, thereby making it possible to draw conclusions about the steady-state oscillation state Flying piston is possible. The arithmetic unit uses conventional methods of signal processing such as:
  • Zero crossings, maxima and minima
  • Curve fitting (piecewise cos-fit, nonlinear least transverse fit)
  • demodulation
  • Fourier transformation, power spectrum
  • Filtering (autoregressive filters for spectral estimation)
  • Frequency estimation methods (time-frequency analysis)

Vorteilhaft weist die Recheneinheit bezüglich der Kinematik des Flugkolbens selektiv aktivierbare Klassifikationsmittel, wie Frequenzfilter auf, wodurch unterschiedliche Schlagzustände detektierbar und zuordenbar sind, bspw. beim Auftreffen eines Werkzeugs auf einen in Beton eingebetteten Baustahl.Advantageously, the arithmetic unit selectively with respect to the kinematics of the flying piston activatable classification means, such as frequency filters, resulting in different Beat states are detectable and can be assigned, for example when hitting a tool on a structural steel embedded in concrete.

Vorteilhaft weist eine zumindest teilweise schlagende Werkzeugmaschine mit einem pneumatischen Schlagwerk mit einem axial hin- und herbewegten, schlagend beanspruchten Flugkolben eine derartige Messanordnung auf, wodurch bei einer Werkzeugmaschine die Kinematik des Flugkolbens zumindest stückweise direkt messbar ist.Advantageously, an at least partially hitting machine tool with a pneumatic percussion with an axially reciprocating, beating stressed Flying piston on such a measuring arrangement, whereby in a machine tool the Kinematics of the flying piston is at least piecewise directly measurable.

Vorteilhaft steuert die Recheneinheit in Abhängigkeit der, den unterschiedlichen Schlagzuständen des Flugkolbens, aktivierten Klassifikationsmittel entsprechende Steuermittel an, bspw. zur Reduzierung der Motordrehzahl und/oder der Drehzahl des Werkzeuges und/oder der Unterbrechung oder der Regelung des Schlagantriebs und damit der Schlagleistung.Advantageously, the arithmetic unit controls the different, depending on Beat states of the flying piston, activated classification means corresponding Control means, for example, to reduce the engine speed and / or the speed of the Tool and / or the interruption or the regulation of the percussion drive and thus the impact performance.

Vorteilhaft ist die Recheneinheit mit einem Sollwertspeicher für ein die optimale Kinematik des Flugkolbens sowie optional weiteren Randbedingungen wie Schlagenergie, Stosszahl, Drehzahl usw. für unterschiedliche zu bearbeitende Materialien verbunden, welcher weiter vorteilhaft als mehrdimensionales Array organisiert ist, wodurch die Werkzeugmaschine selbsttätig adaptiv auf eine optimale Kinematik des Flugkolbens und somit auf optimale Abbauleistung einregelbar ist.Advantageously, the arithmetic unit with a setpoint memory for an optimal kinematics of the flying mass and optionally further boundary conditions such as impact energy, impact number, Speed etc. connected for different materials to be machined, which continues is advantageously organized as a multi-dimensional array, whereby the machine tool automatically adaptive to optimal kinematics of the flying piston and thus to optimum Abbauleistung einregelbar is.

Vorteilhaft ist über die Recheneinheit eine Leerschlagposition des Flugkolbens aus dem Sensorsignal ermittelbar sowie über entsprechende Steuermittel, wie dem Elektromotor das Schlagwerk deaktivierbar, wodurch zusätzliche Fangmittel für den Flugkolben, welche Platz benötigen und dadurch die Werkzeugmaschine verlängern, entfallen können. Advantageously, via the computing unit a Leerschlagposition of the flying piston from the Sensor signal determined and via appropriate control means, such as the electric motor Schlagwerk deactivatable, which provides additional catch for the flying piston, which place require and thereby extend the machine tool, can be omitted.

Vorteilhaft ist über die Recheneinheit eine Schlagwerkstemperatur aus dem Sensorsignal ermittelbar sowie über entsprechende Steuermittel wie dem Elektromotor das Schlagwerk deaktivierbar, wodurch die Lebensdauer erhöhbar ist.An impact temperature from the sensor signal is advantageous via the arithmetic unit ascertainable and via appropriate control means such as the electric motor the percussion deactivatable, whereby the life is increased.

Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:

  • Fig. 1 als pneumatisches Schlagwerk mit einem Flugkolben
  • Fig. 2 als Sensorsignal
    • The invention will be explained in more detail with respect to an advantageous embodiment with:
  • Fig. 1 as a pneumatic percussion with a flying piston
  • Fig. 2 as a sensor signal

    • Nach Fig. 1 weist ein pneumatisches Schlagwerk mit einem axial hin- und herbewegten, auf einen Döpper 1 schlagenden Flugkolben 2 einen radial zu diesem berührungslos angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor 3 auf, wobei der Flugkolben 2 vollständig aus ferromagnetischem Material in Form von Stahl besteht und vier axial beabstandete Bereiche 4 unterschiedlicher magnetischer Permeabilität in Form von vier luftgefüllten Radialrillen aufweist. Der Sensor 3 ist als ein intern differentiell geschalteter, solid-state Magnetfeldsensor ausgebildet und erzeugt ein Messmagnetfeld H, dessen Magnetfluss in den radialen Randbereich des Flugkolbens 2 eindringt. Die Radialrillen des Flugkolbens 2 sind 0,8 mm tief und 3,2 mm breit und bilden einen verbleibenden 1,6 mm breiten axialen Zwischensteg 7 aus. Der Sensor 3 ist radial ausserhalb eines drehbaren Führungsrohres 5 aus nichtferromagnetischem Chromstahl in einem aussen radial auf 0,2 mm verjüngten, axialen Messstellenbereich X berührungslos fest angeordnet. Der Sensor 3 ist mit einer Recheneinheit 6 in Form eines Mikrocontrollers verbunden, welche weiter mit der nicht dargestellten Motorelektronik des ebenfalls nicht dargestellten Elektromotors verbunden ist.According to Fig. 1, a pneumatic impact mechanism with an axially reciprocating, on an anvil 1 beating flying piston 2 a radially to this contactless arranged magnetic-field-sensitive sensor 3, wherein the flying piston 2 completely Made of ferromagnetic material in the form of steel and four axially spaced Areas 4 of different magnetic permeability in the form of four air-filled Having radial grooves. The sensor 3 is considered to be an internally differentially switched, solid-state Magnetic field sensor is formed and generates a measuring magnetic field H whose magnetic flux in penetrates the radial edge region of the flying piston 2. The radial grooves of the flying piston 2 are 0.8 mm deep and 3.2 mm wide and form a remaining 1.6 mm wide axial Gutter 7 off. The sensor 3 is radially outside a rotatable guide tube. 5 made of non-ferromagnetic chromium steel tapered radially to 0.2 mm in one outer, axial measuring point area X contact-free fixed. The sensor 3 is with a Computing unit 6 connected in the form of a microcontroller, which further with the not shown engine electronics of the electric motor, also not shown is connected.

    Nach Fig. 2 ist das Sensorsignal beim Aufschlagen des Flugkolbens während des eingeschwungenen Betriebszustandes dargestellt. Ein wesentliches Merkmal dieses Sensorsignals ist der grosse Signalhub am Anfang, dadurch verursacht, dass der Flugkolben selbst in den Bereich des Sensors gelangt. Dieser Signalhub ist immer grösser als die übrigen Oszillationen, da die Flussänderung durch die Masse des Flugkolbens selbst grösser ist als jene, die durch die Rillen generiert wird. Dieser charakteristische Signalhub wird als Triggersignal T für die Datenerfassung benutzt. Im Sensorsignal sind von links nach rechts die Signalabschnitte A - E erkennbar, welche von der Recheneinheit selektiert und entsprechend ausgewertet werden.

  • A) Der Führungsdurchmesser des Flugkolbens läuft unter dem Sensor durch, wodurch ein erster Ausschlag (nach unten) initiiert wird, der als Triggersignal T dient.
  • B) Die vier axial beabstandeten Rillen des Flugkolbens laufen unter dem Sensor durch, wodurch (vier gleichmässige) Schwingungsperioden nachweisbar sind.
  • C) Der Flugkolben schlägt auf den Döpper, wodurch die Schwingungsperioden nachweisbar unterbrochen sind.
  • D) Der Flugkolben fliegt langsamer wieder zurück, wodurch (vier gleichmässige) Schwingungsperioden geringerer Frequenz nachweisbar sind.
  • E) Der Führungsdurchmesser des Flugkolbens beginnt wieder, nun rückwärts, unter dem Sensor durchzulaufen (letzter Ausschlag nach oben).
    • According to Fig. 2, the sensor signal during impact of the flying piston is shown during the steady-state operating state. An essential feature of this sensor signal is the large signal swing at the beginning, which causes the flying piston itself to reach the area of the sensor. This signal swing is always greater than the rest of the oscillations, as the flux change through the mass of the fly piston itself is greater than that generated by the grooves. This characteristic signal swing is used as the trigger signal T for data acquisition. In the sensor signal, the signal sections A - E can be seen from left to right, which are selected by the arithmetic unit and evaluated accordingly.
  • A) The pilot diameter of the flying piston passes under the sensor, initiating a first (downward) deflection, which serves as the trigger signal T.
  • B) The four axially spaced grooves of the flying piston pass under the sensor, whereby (four uniform) oscillation periods are detectable.
  • C) The flying piston strikes the striker, whereby the vibration periods are detectably interrupted.
  • D) The flying piston flies back slower, whereby (four uniform) vibration periods of lower frequency are detectable.
  • E) The pilot diameter of the flying piston starts again, now backwards, to pass under the sensor (last rash upwards).

    • Damit ergeben sich bspw. für einen Bohrhammer vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten zur:

  • 1. Untergrunderkennung: Je nach Untergrund wird der Flugkolben verschieden schnell beim Auftreffen auf den Döpper bzw. das Stirnende des Werkzeugs reflektiert. Anhand der Rückwärtsbewegung des Flugkolbens kann aus dem detektierten Sensorsignal mit Methoden der Signalverarbeitung (bspw. über die Berechnung und Zuordnung der untergrundspezifischen Schlagerenergie und Stosszahl), mittels Mustererkennung und Fuzzy-Logik oder mit neuronalen Netzen die Art des bearbeiteten Untergrundes ermittelt werden.
  • 2. Messung der Schlagleistung, Zustand bzw. Funktionstüchtigkeit des Gerätes: Das Verhältnis der Geschwindigkeit des Flugkolbens vor dem Auftreffen auf den Döpper zur Rückfluggeschwindigkeit ist die Stosszahl. Diese ist das Mass für die Abbauleistung. Beim Bearbeiten eines definierten Untergrundes, z.B. Beton, kann über diese Parameter die Qualität bzw. der Zustand des Bohrhammers / Werkzeugs überprüft werden.
  • 3. Messung und Regelung der Schlagenergie: Anhand der Geschwindigkeit des Flugkolbens vor dem Auftreffen kann die Schlagenergie und die Schlagleistung in üblicher Weise von der Recheneinheit berechnet werden. Diese wird als Mass für eine leistungsabhängige Regelung des Bohrhammers benötigt. Über diese Regelung, bspw. über die Drehzahl des Elektromotors, kann die Schlagenergie von der Recheneinheit stufenlos geregelt werden. Ausserdem kann während des Bohrens über die Untergrunderkennung in Kombination mit der Regelung der Schlagenergie ein intelligenter Bohrhammer realisiert werden, der z. B. beim Bohren auf eine Fliese automatisch detektiert, dass es sich hier um eine zerbrechliche Keramik handelt und somit in einen 'soft mode' schaltet, bei welchem die Schlagenergie beispielsweise auf 1.0 Joule begrenzt ist. Sobald die Fliese durchbohrt ist und sich der Untergrund ändert, wird dies von der Recheneinheit detektiert, und die Schlagenergie des Bohrhammers auf die maximale Schlagleistung erhöht. Durch dieser Regelung wird ohne zusätzliche Massnahmen des Nutzers eine Bohrung mit glattem Rand ermöglicht.
  • 4. Verhindern des Nachschlagens: Aus dem Sensorsignal lässt sich die Position des Flugkolbens von der Recheneinheit ermitteln. Falls der Flugkolben nach vorne über die Schlagposition hinausfliegt kann zur Verhinderung des Nachschlagens der Elektromotor von der Recheneinheit sofort abgeschaltet oder ausgekoppelt und insbesondere bei einem SR (switched reluctance) - Motor aktiv gebremst werden.
  • 5. Temperaturmessung des Schlagwerks: Ein magnetfeldempfindlicher Sensor am Schlagwerk ermöglicht eine Temperaturmessung. Die Schlagwerkstemperatur ist ein Indikator für den Schmier- und den aktuellen Verschleisszustand des Schlagwerks. Die magnetische Permeabilität der meisten ferromagnetischen Materialien nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Am Curie-Punkt selbst nimmt sie den Wert µ=1 an. Bei der Messung der Flugkolbengeschwindigkeit ist diese Permeabilitätsverminderung von der Recheneinheit aus dem Sensorsignal detektierbar, da die Signalamplitude mit zunehmender Temperatur abnimmt. In einem Temperaturbereich von T= -10°C bis T=100°C beträgt dies bis zu 30%. Über diesen Rückgang der Signalamplitude kann von der Recheneinheit auf die Temperatur des Schlagwerkes zurückgeschlossen und gegebenenfalls Notmassnahmen, wie das Vermindern der Drehzahl des Elektromotors getroffen werden.
    • This results, for example, for a rotary hammer advantageous applications for:
  • 1. Underground detection: Depending on the ground, the flying piston is reflected at different speeds when hitting the striker or the front of the tool. Based on the backward movement of the flying mass, the type of processed background can be determined from the detected sensor signal using methods of signal processing (for example, via the calculation and assignment of background-specific impact energy and impact number), by pattern recognition and fuzzy logic or by neural networks.
  • 2. Measurement of the impact performance, condition or functionality of the device: The ratio of the velocity of the flying piston before hitting the striker to the return speed is the number of impacts. This is the measure for the mining performance. When working on a defined substrate, eg concrete, the quality or the condition of the hammer / tool can be checked via these parameters.
  • 3. Measurement and regulation of the impact energy: Based on the velocity of the flying mass before the impact, the impact energy and the impact power can be calculated in the usual way by the arithmetic unit. This is needed as a measure for a performance-dependent control of the hammer drill. About this scheme, for example. About the speed of the electric motor, the impact energy can be controlled continuously by the computing unit. In addition, while drilling on the background detection in combination with the control of the impact energy an intelligent hammer drill can be realized, the z. B. when drilling on a tile automatically detected that this is a fragile ceramic and thus switches into a 'soft mode', in which the impact energy is limited, for example, to 1.0 Joule. Once the tile is pierced and the ground changes, this is detected by the arithmetic unit, and the impact energy of the hammer is increased to the maximum impact power. This provision allows a bore with a smooth edge without additional measures by the user.
  • 4. Preventing the lookup: From the sensor signal, the position of the flying piston can be determined by the computing unit. If the flying air piston flies forward beyond the impact position, the electric motor can be switched off or disconnected immediately by the arithmetic unit and, in particular, actively braked in the case of an SR (switched reluctance) engine, in order to prevent it from being struck.
  • 5. Temperature measurement of the percussion mechanism: A magnetic field-sensitive sensor on the impact mechanism enables a temperature measurement. The striking mechanism temperature is an indicator of the lubrication and the current state of wear of the striking mechanism. The magnetic permeability of most ferromagnetic materials decreases with increasing temperature. At the Curie point itself, it assumes the value μ = 1. When measuring the flying piston velocity, this reduction in permeability is detectable by the computing unit from the sensor signal, since the signal amplitude decreases with increasing temperature. In a temperature range from T = -10 ° C to T = 100 ° C, this is up to 30%. About this decrease in the signal amplitude can be deduced by the arithmetic unit to the temperature of the percussion and possibly emergency measures, such as reducing the speed of the electric motor are taken.

    • Claims (15)

    Pneumatisches Schlagwerk mit einem axial hin- und herbewegten, schlagend beanspruchten Flugkolben (2), dadurch gekennzeichnet, dass diesem radial ein berührungslos angeordneter magnetfeldempfindlicher Sensor (3) zugeordnet ist, dass der Flugkolben (2) zumindest radial aussen ferromagnetisches Material aufweist und dass der Flugkolben (2) mehrere axial beabstandete Bereiche (4) unterschiedlicher magnetischer Permeabilität aufweist.Pneumatic percussion mechanism with an axially reciprocating, impact-loaded flying piston (2), characterized in that it is associated with a non-contact magnetfeldempfindlicher sensor (3), that the flying piston (2) at least radially outside ferromagnetic material and that the flying mass (2) has a plurality of axially spaced regions (4) of different magnetic permeability. Pneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) als solid-state Magnetfeldsensor oder induktiver Sensor ausgeführt und optional intern differentiell geschaltet ist.Pneumatic impact mechanism according to claim 1, characterized in that the sensor (3) is designed as a solid-state magnetic field sensor or inductive sensor and optionally connected internally differentially. Pneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Strukturgrösse der Bereiche (4) mindestens dem effektiven Luftspalt im Messmagnetfeld (H) entspricht.Pneumatic striking mechanism according to claim 1 or 2, characterized in that an axial structure size of the regions (4) corresponds at least to the effective air gap in the measuring magnetic field (H). Pneumatisches Schlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (4) unterschiedlicher magnetischer Permeabilität durch mehrere axial beabstandete, luftgefüllte Radialrillen ausgebildet sind.Pneumatic striking mechanism according to one of claims 1 to 3, characterized in that the regions (4) of different magnetic permeability are formed by a plurality of axially spaced, air-filled radial grooves. Pneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialrillen 0,1- 1,5 mm tief und 0,5 - 5,0 mm breit sind sowie einen verbleibenden 0,1 - 3,0 mm breiten axialen Zwischensteg (7) ausbilden.Pneumatic striking mechanism according to claim 4, characterized in that the radial grooves are 0.1-1.5 mm deep and 0.5-5.0 mm wide and form a remaining 0.1-3.0 mm wide axial intermediate web (7) , Pneumatisches Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) radial ausserhalb eines optional drehbaren Führungsrohres (5) für den Flugkolben (2) berührungslos angeordnet ist.Pneumatic striking mechanism according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (3) is arranged without contact radially outside an optionally rotatable guide tube (5) for the flying piston (2). Pneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsrohr (5) im axialen Messstellenbereich (X) aussen radial auf 0.1 - 2,0 mm verjüngt ist.Pneumatic striking mechanism according to claim 6, characterized in that the guide tube (5) in the axial measuring point region (X) is externally radially tapered to 0.1 - 2.0 mm. Pneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsrohr (5) mindestens im axialen Messstellenbereich (X) aus nichtferromagnetischem Material besteht. Pneumatic impact mechanism according to claim 6 or 7, characterized in that the guide tube (5) at least in the axial measuring point region (X) consists of non-ferromagnetic material. Pneumatisches Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) mit einer Recheneinheit (6) zur Ermittlung einer Position und/oder Geschwindigkeit des Flugkolbens (2) aus dem zeitlichen Verlauf des Sensorsignals verbunden ist.Pneumatic striking mechanism according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (3) is connected to a computing unit (6) for determining a position and / or speed of the flying piston (2) from the time profile of the sensor signal. Pneumatisches Schlagwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (6) bezüglich der Kinematik des Flugkolbens (2) selektiv aktivierbare Klassifikationsmittel aufweist.Pneumatic striking mechanism according to claim 9, characterized in that the arithmetic unit (6) has selectively activatable classification means with respect to the kinematics of the flying piston (2). Werkzeugmaschine mit einem pneumatischen Schlagwerk mit einem axial hin- und herbewegten, schlagend beanspruchten Flugkolben (2), dadurch gekennzeichnet, dass das pneumatische Schlagwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung der Bewegung des Flugkolbens (2) ausgebildet ist.Machine tool with a pneumatic impact mechanism with an axially reciprocating, impact-loaded flyer piston (2), characterized in that the pneumatic percussion mechanism according to one of the preceding claims for measuring the movement of the flying piston (2) is formed. Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (6) mit Steuermitteln verbunden ist, welche in Abhängigkeit der aktivierten Klassifikationsmittel entsprechend ansteuerbar sind.Machine tool according to claim 11, characterized in that the arithmetic unit (6) is connected to control means, which are correspondingly controllable in dependence of the activated classification means. Werkzeugmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (6) mit einem Sollwertspeicher verbunden ist, wobei der Sollwertspeicher Daten bezüglich der optimalen Kinematik des Flugkolbens (2) sowie optionalen weiteren Randbedingungen für unterschiedliche zu bearbeitende Materialien beinhaltet.Machine tool according to claim 11 or 12, characterized in that the arithmetic unit (6) is connected to a setpoint memory, wherein the setpoint memory includes data relating to the optimal kinematics of the flying piston (2) and optional further boundary conditions for different materials to be processed. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über die Recheneinheit (6) eine Leerschlagposition des Flugkolbens (2) aus dem Sensorsignal ermittelbar sowie über entsprechende Steuermittel das Schlagwerk deaktivierbar ist.Machine tool according to one of claims 11 to 13, characterized in that on the arithmetic unit (6) a Leerschlagposition of the flying piston (2) can be determined from the sensor signal as well as the impact mechanism can be deactivated via corresponding control means. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über die Recheneinheit (6) eine Schlagwerkstemperatur aus dem Sensorsignal ermittelbar sowie über entsprechende Steuermittel das Schlagwerk deaktivierbar ist.Machine tool according to one of claims 11 to 13, characterized in that via the arithmetic unit (6) a striking mechanism temperature can be determined from the sensor signal and the impact mechanism can be deactivated via corresponding control means.
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