EP2644320A1 - Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine - Google Patents

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Publication number
EP2644320A1
EP2644320A1 EP13173324.8A EP13173324A EP2644320A1 EP 2644320 A1 EP2644320 A1 EP 2644320A1 EP 13173324 A EP13173324 A EP 13173324A EP 2644320 A1 EP2644320 A1 EP 2644320A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hand
power tool
held power
tool
tool according
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.)
Withdrawn
Application number
EP13173324.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thilo Koeder
Joachim Platzer
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2644320A1 publication Critical patent/EP2644320A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B23/00—Portable grinding machines, e.g. hand-guided; Accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a hand-held power tool comprising a housing with a handle portion, a tool area for a linearly and / or rotationally oscillating drivable tool, a housing-side control panel for user-side activation of the tool and / or the power tool, a housing arranged in the drive unit for generating a Working movement of the tool, an electronic unit arranged in the housing for applying the required processing power consisting of at least control and / or control signals, an operating voltage unit for providing a DC electrical voltage to the electronic unit, wherein the drive unit comprises at least one excitation actuator with a volume of excitation active material which is electrically powered by the operating voltage unit in operation, is controlled or regulated by the electronic unit.
  • Hand-held power tools are characterized by being portable and held and guided by an operator in the hand during operation. They can be operated wirelessly via battery packs or with mains power. In particular, these usually consist of only one housing, which is completely held by the user.
  • EP 1598171 B1 describes a mechanical construction of a welding head of a portable welding gun, in which an ultrasonic actuator applied to the welding head with mechanical power.
  • the invention relates to a hand-held power tool, comprising a housing with a handle portion, a tool area for a linearly and / or rotationally oscillating drivable tool, a housing-side control unit for user-side activation of the tool and / or the power tool, a housing arranged in the drive unit for generating a working movement of the tool, an electronics unit arranged in the housing for applying the required processing power consisting of at least control and / or control signals, an operating voltage unit for providing a DC electrical voltage to the electronics unit, wherein the drive unit at least one excitation actuator with a volume excitation active material includes, which is electrically powered by the operating voltage unit in operation, is controlled or regulated by the electronic unit.
  • the electronics unit is designed to operate the at least one excitation actuator at a resonant frequency.
  • the excitation actuator may be an ultrasonic excitation actuator, in particular a piezoelectric actuator in the construction of a Langevin transducer.
  • the piezoelectric actuator has piezoelectric material as excitation-active material.
  • the quality of the undamped oscillatory system is typically greater than 500 at values greater than 100.
  • the resonant system of the excitation actuator which has the resonant frequency, comprises the Langevin transducer with piezoelectric active material and components coupled to the vibrator, particularly components that amplify the ultrasound and / or or transferred to a processing location. Such components are known, for example as a booster or sonotrode. This enables a size reduction and the provision of a compact device.
  • a compact power tool of high performance is thus created, which is at the same time handy.
  • excitation factors e.g. be provided with the same or with different resonant frequency, as a drive component.
  • one or more further drive components such as an electric motor, may be provided.
  • the various drive components may be operated alternatively or in combination. If the at least one excitation actuator is operated in resonance, the power output is particularly high, so that for a given output power of the power tool, the construction can be particularly compact, which is convenient handling of the hand-held power tool.
  • the proposed power tool is a one-piece device, can be dispensed with disturbing connection cable between separate housing parts.
  • the electric machine tool can be operated cordlessly with batteries or rechargeable batteries or also - additionally or alternatively - be operated with mains power via a mains cable.
  • the tool may be an insert tool detachably connected to the excitation actuator, or it may be fixedly connected to the excitation actuator.
  • the compound can e.g. be cohesive or non-positive.
  • the electric machine tool is a machine tool used to machine or modify objects or surfaces, such as drills, rotary hammers, cutting tools, grinders, milling machines, saws, welders and the like.
  • the electronic unit may comprise a control unit with frequency adaptation for tracking the resonance frequency of the at least one excitation actuator.
  • the resonance frequency can be continuously adjusted if the resonant frequency of the excitation actuator changes due to, for example, temperature change, change of the tool coupled to the excitation actuator or load on the tool.
  • the electronic unit may comprise a phase locked loop, with which the resonance frequency can be excited with high accuracy.
  • phase shift between electric current and electrical voltage, which are supplied to the piezoelectric active material for exciting the ultrasonic vibrations, to a fixed value, in particular 0 ° phase difference between the current and voltage signal, adjusted and maintained, whereby an optimal power output can be achieved can.
  • the volume of the piezoelectrically active material may be at least 0.2 cm 3 , preferably 0.5 cm 3 , in particular at least 1 cm 3 .
  • a sufficient ultrasound power can be achieved with a small size of the excitation actuator.
  • the at least one excitation actuator may have a power density of at least 5 watts / cm 3 , preferably of at least 20 watts / cm 3 , based on the volume of the piezoelectrically active material of the at least one excitation actuator.
  • a correspondingly high power density is advantageous for a hand-held compact power tool with the smallest possible dimensions and low production costs.
  • the at least one excitation actuator on the tool tip can have a vibration amplitude of at least 3 ⁇ m, preferably at least 8 ⁇ m, in particular at least 12 ⁇ m.
  • a correspondingly high vibration amplitude is advantageous for a good power transmission to the workpiece and thus for a high work progress through the power tool.
  • an electrical power for acting on the at least one excitation actuator can amount to at least 20 watts.
  • a sufficient power for a power tool can be ensured.
  • Usual benefits are in the home improvement sector, for small cutting systems about between 20 watts and 250 watts, preferably 50 watts to 150 watts.
  • powers from 50W to 1000W, preferably 200W to 500W are needed.
  • the power requirement for small systems is approximately between 50 and 400 watts, preferably 100 to 250 watts.
  • powers of 200 W to 2000 watts, preferably 400 watts to 1000 watts are used. Nevertheless, a power tool with handy dimensions can be created, which can be included or held by the hand of the operator on the one hand and on the other hand provides sufficient power for processing.
  • a maximum electrical excitation field strength of the at least one excitation actuator can be in the range below 300 V / mm (based on the thickness, in particular slice thickness, of the piezoelectrically active material), preferably in the range between 50 V / mm and 220 V. / mm.
  • a slice thickness of the excitation actuator typically 1 mm to 10 mm, preferably 2 mm to 6 mm, in particular by 5 mm, the electrical voltages are less than 1000 volts. This advantageously makes it possible to use the excitation actuator in the hand-held power tool with sufficient mechanical output power and advantageously small dimensions.
  • an electrical output voltage of the operating voltage unit when supplied with electrochemical storage can be within 3 volts to 100 volts DC, preferably in the range of 3.5V to 40V, in particular at 36 volts, 24 volts, 18 volts, 14.4 Volts, 12 volts, 10.6 volts, 7.2 volts, and 3.6 volts.
  • battery packs or rechargeable battery packs can be used, which are small and light enough to ensure good handling of the power tool with high output power yet.
  • a DC voltage component of the electrical output voltage of the operating voltage unit can be at supply with mains voltage within 0.5 U network (rms value of the mains voltage) to 2 U network .
  • mains voltage can be converted by means of an input-side transformer to a voltage suitable for the operating voltage unit.
  • the operating frequency of the at least one excitation actuator can be in the range between 10 kHz and 1000 kHz, preferably between 30 kHz and 50 kHz, in particular between 35 kHz and 45 kHz, particularly preferably around 40 kHz.
  • the size of the components decreases and the mechanical load of the oscillating system increases, with advantageous size ratios in the selected frequency range result in high output and low weight of the power tool.
  • the operating voltage unit can comprise an electrochemical store, preferably a rechargeable electrochemical store.
  • the operating voltage unit has only a small footprint, which is advantageous for the compactness and weight of the power tool.
  • systems based on e.g. Lithium-ion (Li-ion) or nickel-metal hydride (NiMeH), nickel-cadmium (NiCd) or lead and the like. These can be firmly integrated in the housing and recharged via a charging port.
  • the operating voltage unit may be formed as a change system, with exchangeable electrochemical storage, which may optionally be externally rechargeable, and which can be plugged into a receptacle provided in or on the housing.
  • the rated voltage of the operating voltage unit may, depending on the power requirement, e.g. between 3 volts dc and 48 volts dc, e.g. at 12 volts dc.
  • the operating voltage unit may comprise an AC / DC conversion unit.
  • a mains connection for the electric machine tool can be provided, and in the operating voltage unit, the rectification and smoothing of the mains voltage can take place.
  • the preparation of the mains voltage requires more space than an energy store, the further space-saving and compact design in a single housing still allows a simplified operation and handling of the power tool.
  • the electronic unit can be concentrated on a circuit board. This allows a particularly space-saving arrangement in the housing.
  • the electronic control of the excitation actuator is particularly compact.
  • At least one inductance in a power circuit of the electronic unit, which supplies the at least one excitation actuator with electrical power is provided be. It can be a space-saving structure of the power inductors realized in a single bobbin.
  • the favorable in excitation actuators signal filtering and inductive compensation of the piezoelectric actuator can be provided directly via a specifically set leakage inductance of a transmission transformer anyway required or be given by a wound on the same coil core inductance. An additional coil core with a further inductance in the power circuit can thereby be omitted.
  • At least the drive unit, the electronic unit and the operating voltage unit can be distributed in the housing such that a center of mass lies in the area of the handle part.
  • the operator can handle the power tool safely and conveniently. The safety and ease of use are increased.
  • the drive unit can comprise, in addition to the at least one excitation actuator, at least one further drive component.
  • the working movement of a tool driven by the at least one further drive component can be superimposed by the at least one excitation actuator movement, whereby the work progress can be significantly improved and the processing can be facilitated.
  • the at least one excitation actuator can form a main energy consumer of the electric machine tool, for which preferably at least 50% electrical input power can be provided.
  • at least 75%, preferably at least 80%, of the electrical input power can be provided for the excitation actuator.
  • the progress of the electric machine tool when using ultrasound is particularly large, so that a further energy consumer, in particular a further drive component, such as a drill, a Meisel, a knife or the like, can be made smaller.
  • a further drive component such as a drill, a Meisel, a knife or the like
  • one or more operating displays can be provided for an activated state of the at least one excitation actuator.
  • the display can be made optically and / or acoustically and / or haptically. The reliability of the power tool is increased because it is clearly visible when the excitation is activated and can deliver mechanical power.
  • the drive unit which imparts a working movement to the tool, can impress the tool on superposition oscillations.
  • the drive unit can have as an additional drive component, for example, an electric drive motor, which is accommodated in the housing of the power tool.
  • the motor shaft is usually coupled via a gear unit with a tool shaft, which is the carrier of the tool and performs the working movement.
  • the tool is usually replaceable to attach to the tool shaft.
  • the power tool may e.g. be used for machining of workpieces, to reduce the chip size advantageously the excitation is arranged in the power tool, which can generate overlay oscillations in the tool. These superimposed vibrations are superimposed on the working movement of the tool.
  • the superposition oscillations which do not originate from the drive motor, but from the excitation actuator, depending on the type of power tool and depending on the tool used and the workpiece material to be machined at a frequency can be generated, which leads to a significant reduction of the chip size. Since smaller chips also have a smaller heat capacity, the chips can cool down in a shorter period of time, whereby the risk of fire is reduced. In addition, the smaller chips per se lead to a reduced risk of injury, since the pulse emanating from them is lower.
  • the frequency of the superposition oscillations is expediently in the ultrasound range and can thus amount to at least 20 kHz, for example.
  • This relatively high frequency on the one hand has the advantage that vibrations of this magnitude are no longer audible to humans, so no noise pollution arises.
  • vibrations of this magnitude are particularly effective in order to significantly reduce the size of the chips that arise during the machining of a workpiece.
  • the overlay vibrations Due to the superposition of the working movement of the tool on the one hand and the usually much higher frequency remains generating the overlay vibrations without effect on the working movement and thus on the result of workpiece machining.
  • the overlay vibrations usually have only a very small amplitude, so that the machining of the workpiece is not impaired.
  • the electric machine tool is designed as a grinding device, for example as an angle grinder, which has a tool mounted on a tool shaft grinding wheel as a tool, in which case the tool movement is an exclusive rotational movement.
  • translational movements come, for example in lifting saws that perform an oscillating stroke movement.
  • the superposition vibrations can be excited according to an advantageous embodiment orthogonal to the plane of movement of the tool in which the working movement takes place.
  • the superposition vibrations can be applied in the direction of the tool shaft carrying the grinding wheel.
  • the superimposition oscillation takes place perpendicularly to the translational movement.
  • the superposition oscillations excite the tool in the plane of motion.
  • the overlay oscillations emanating from the excitation actuator act on a bearing of the tool, the oscillations also propagating to the tool via the bearing.
  • this is preferably done via the tool-near bearing to avoid loading of the gear unit and the drive motor by the superposition oscillations.
  • the excitation actuator As an excitation actuator, different active actuators can be used, which can be excited by supplying energy for vibration generation.
  • the excitation actuator is designed as a Langevin oscillator with clamped piezo elements which changes its extent by applying a voltage.
  • the piezoelectric element can expand and contract in the desired frequency of the superposition oscillations, wherein the excitation is coupled to a component in the power transmission chain between the drive unit or drive motor and tool, so that the vibrations of the excitation actuator spread into the tool can.
  • the excitation preferably takes place via a bearing of the tool shaft which carries the tool.
  • the excitation actuator is designed as a magnetostrictive excitation actuator, which is particularly suitable for generating ultrasonic vibrations.
  • FIGS. 1 and 2 Various examples of hand-held power tools 10.
  • Fig. 1 shows a cutting device with elongated housing shape
  • Fig. 2 shows a drill with T-shaped housing.
  • the handheld power tool 10 includes a housing 20 having a handle portion 40. An operator holds the power tool 10 on the handle portion 40 and may guide the power tool 10.
  • the grip area 40 may optionally be decoupled with a damping element, not shown, with respect to other housing areas.
  • the electric machine tool 10 further comprises a tool region 50 for a linearly and / or oscillatory drivable tool 60, such as a knife ( Fig. 1 ) or a drill ( Fig. 2 ) or another tool according to another device type.
  • a housing-side operating part 30 serves for the user-side activation of the tool 60 and / or of the power tool 10.
  • the operating part 30 may e.g. be a switch or a controller or also comprise a plurality of controls, of which e.g. one for turning on the power tool 10 and one for turning on and / or controlling the tool 60 may be provided.
  • a drive unit 80 is arranged, which in the examples according to Fig. 1 and Fig. 2 includes only one drive component formed by an excitation actuator 100.
  • This can be designed as a piezo-excited Langevin oscillator (also called a piezoactuator) which comprises a volume of piezoelectrically active material 102, eg piezoceramic disks which are pressed together and which undergo a change in length when subjected to electrical voltage.
  • a piezo-excited Langevin oscillator also called a piezoactuator
  • the coupling element 106 may be a per se known sonotrode.
  • the length and the shape as well as the material of the coupling element 106 determine a resonance frequency of the excitation actuator 100.
  • the tool 60 can also influence the resonance frequency.
  • the excitation actuator 100 is designed so that Langevin oscillator and coupling element 106 are combined in one unit, and whose entire length corresponds to approximately half the wavelength ⁇ / 2 of the ultrasonic vibration.
  • Other embodiments may provide that the excitation actuator 100 is composed of several components of length ⁇ / 2. These can be: Vibration generator, known as a converter, in particular, for example, a Langevin oscillator, amplitude transformation pieces 104 known as boosters, possibly extension pieces, as well as the coupling element 106 known as a sonotrode.
  • An electronic unit 200 arranged in the housing 20 serves to apply at least control and / or regulating signals to the drive unit 80 as well as to the voltage supply of the excitation actuator 100.
  • An operating voltage unit 90 here designed as a battery pack with batteries or rechargeable batteries 92, serves to provide it an electrical DC voltage for the electronic unit 90, which converts the operating voltage into a high-frequency voltage signal with which the excitation actuator 100 is excited to vibrate in the desired manner.
  • the electronic unit 200 is configured to operate the at least one excitation actuator 100 at a resonant frequency f_res.
  • the electronic unit 200 comprises a control unit 224 for tracking the resonance frequency f_res of the excitation actuator 100.
  • the control unit 224 may comprise a phase locked loop which can excite the excitation actuator 100 at its resonant frequency, with a phase shift between the injected current and the injected voltage being set to 0 ° becomes.
  • the resonance frequency f_res is preferably readjusted when the resonant frequency changes due to heating or load changes on the tool. Alternatively, a frequency tracking can also take place by regulating to a maximum of the current fed into the excitation actuator 100.
  • the volume of the piezoelectrically active material 102 is favorably at least 0.2 cm 3 , preferably 0.5 cm 3 , in particular at least 1 cm 3 .
  • the excitation actuator 100 may have a power density of at least 5 watts / cm 3 , preferably at least 20 watts / cm 3 , based on the volume of the piezoelectric active material 102 of the excitation actuator 100. The power density allows use in a hand-held Power tool 10 with sufficient power output of the tool 60th
  • the activation of the tool 60 by the activation actuator 30 can be performed with a signal means 122 (FIG. Fig. 2 ) are displayed.
  • the electronic unit 200 is particularly space-saving integrated on a single board 210.
  • the electronic unit is divided into two boards 212, 214, wherein one in the main part and a projecting in the transverse part of the main body grip portion of the T-shaped housing 20 is arranged.
  • Drive unit 80, electronic unit 200 and operating voltage unit 90 are advantageously distributed in housing 20 in such a way that a center of mass lies in the area of handle part 40.
  • Fig. 3a shows a schematic diagram of a control of the excitation actuator 100, for example in the form of a piezoelectric actuator 100, with an AC power supply from a supply network or a DC power supply with a battery pack.
  • an assembly 94 is provided which rectifies and smooths the AC voltage.
  • the electronic unit 200 comprises a power generation unit 222 into which the DC voltage is fed and which is coupled to the excitation actuator 100 via a corresponding filter unit 226.
  • a control unit 224 provides the control signals for the excitation actuator 100.
  • the operating frequency of the excitation actuator 100 is in the range between 10 kHz and 1000 kHz, preferably between 30 kHz and 50 kHz, in particular between 35 kHz and 45 kHz, particularly preferably around 40 kHz.
  • the electrical output voltage of the operating voltage unit 90 is preferably below 100 volts, at about 36 volts or 10.8 volts.
  • the maximum electrical excitation field strength of the at least one excitation actuator is preferably in the range below 300 V / mm (based on the thickness, in particular slice thickness, of the piezoelectrically active material), preferably in the range between 50 V / mm and 220 V / mm.
  • a slice thickness of the excitation actuator 100 typically 1 mm to 10 mm, preferably 2 mm to 6 mm, in particular by 5 mm, the electrical voltages are less than 1000 volts
  • the power generation unit 222 may be implemented by means of 4 MOSFET semiconductors in a full-bridge topology known per se.
  • the generation of the operating signal may also be effected by a half-bridge (also known) with e.g. a mid-point capacitor for filtering the DC component.
  • Fig. 3b illustrates a way to make the size of the filter unit 226 as small as possible.
  • the power unit 222 can also be controlled by the control unit 224 in such a way that it generates a sine-wave-like square-wave voltage by means of, for example, a sine-wave modulation instead of simple square-wave signals.
  • the number of square pulses per period of the sinusoidal signal is greater than 6, preferably in a range between 6 and 100, in particular in a range between 10 and 26.
  • the number and width of the rectangular pulses of the control unit 224 for example, during load changes during of the operation are changed.
  • Fig. 4 shows a profile of an ultrasonic amplitude along an excitation actuator 100 designed as a piezoelectric actuator.
  • the coupling element 106 is designed as a sonotrode.
  • the region of the excitation actuator 100 which adjoins the piezoelectric material 102 is designated together with the piezoelectric disks 102 as a converter.
  • the piezoelectric material 102 is excited by the fed high-frequency AC voltage to vibrations, which are transmitted via the converter in the coupling element 102.
  • this additionally consists of a booster 104 for amplitude adjustment.
  • the excitation actuator 100 takes on average the amplitude Amp excited vibration too.
  • Changes in the resonant frequency f_res of the oscillation system of the excitation actuator 100 (possibly with coupled tool) during operation are preferably compensated, for example with a phase-locked loop already mentioned above, with which the phase shift between the voltage applied to excite the excitation actuator 100 and the supplied electrical current is regulated to zero (phase zero control), or with a maximum control of the fed into the excitation actuator 100 electrical current.
  • Fig. 5 shows an impedance characteristic of a piezoactively executed excitation actuator with the resonance frequencies f_res and f_res2.
  • Characteristic A shows a profile of the impedance Imp as a function of the frequency f, which passes through an impedance minimum at the resonance frequency f_res and an impedance maximum at f_res2.
  • the frequency f_res is referred to as a series resonance, f_res2 as a parallel resonance.
  • Curve B shows the course of the phase shift between current and voltage, which has a zero crossing at the resonance frequency and changes from -90 ° below the resonance frequency f_res to + 90 ° above the resonance frequency f_res.
  • the phase shift of + 90 ° below the resonance frequency changes to -90 ° above the resonance frequency.
  • At least one inductance in a power circuit of the electronics unit, which supplies the at least one excitation actuator 100 with electrical power may be provided. It can be a space-saving structure of the power inductors realized together with the transmission transformer in a single bobbin.
  • the favorable with excitation actuators 100 signal filtering and inductive compensation of the piezoelectric actuator can be provided directly via a deliberately set leakage inductance of a transmission transformer anyway required or be given by a wound on the same coil core inductance. An additional coil core with a further inductance in the power circuit can thereby be omitted.
  • Fig. 6 shows for explanation an equivalent circuit diagram with an ideal transformer.
  • the inductance M serves the actual transmission from primary side to secondary side.
  • the stray inductances arise because the windings can never be ideally coupled.
  • L1 and L2 represent the part of the magnetic field that can not be “captured" by the secondary coil.
  • L1 and L2 are to be considered as an air coil.
  • an angle grinder electric power tool 10 includes a housing 20 which consists of a motor housing 22 and a handle housing 24, wherein between the motor housing 22 and handle housing 24, a damping element 26 is arranged.
  • the power tool 10 is held on the handle housing 24, which forms the grip portion 40.
  • a drive unit 80 is received with a formed as an electric drive motor 82 drive component, which is coupled via a gear unit 62 with a tool shaft 64 and drives them.
  • the tool shaft 64 carries a tool 60 designed as a grinding wheel which is interchangeably fixed to the tool shaft 64.
  • Fig. 8 is the tool shaft 64 and attached thereto, designed as a grinding wheel tool 60 shown in detail.
  • the tool shaft 64 which has the longitudinal axis L, is rotatably mounted in bearings 70 and 72 which are spaced apart in the housing 20 are arranged.
  • the tool 60 designed as a grinding wheel is set in high-frequency oscillations in addition to its rotary working movement. These are overlapping vibrations that are superimposed on the working movement of the tool 60 designed as a grinding wheel. These superposition vibrations are generated by means of the excitation actuator 100, which is also arranged as a further drive component of the drive unit 80 in the housing 10 of the hand-held power tool 10 and directly or indirectly excites the designed as a grinding wheel tool 60 to the superposition oscillations.
  • the excitation actuator 100 which is also arranged as a further drive component of the drive unit 80 in the housing 10 of the hand-held power tool 10 and directly or indirectly excites the designed as a grinding wheel tool 60 to the superposition oscillations.
  • the excitation actuator 100 acts on the tool-side bearing 70 of the tool shaft 64 and generates superposition oscillations that are orthogonal to the longitudinal axis L of the tool shaft 64 are addressed. These superposition vibrations directed orthogonally to the longitudinal axis L are also transmitted via the tool shaft 64 to the tool 60 designed as a grinding wheel, which likewise exercises orthogonal to the longitudinal axis L and thus overlapping vibrations in its movement plane.
  • the excitation actuator 100 it is also possible to position the excitation actuator 100 at a different location, for example at the tool-distant bearing 72 or directly at a position on the tool shaft 64 or on the tool 60 designed as a grinding wheel, in order to apply this directly to superposition oscillations.
  • excitation actuator 100 various active actuators can be used.
  • actuators are used. generate the high-frequency vibrations in the ultrasonic range, in particular in a frequency range of at least 20 kHz, possibly also frequencies in higher orders of magnitude come into consideration, especially into the megahertz range, or even smaller frequencies.
  • a piezoelectric element is used by way of example. whose length changes by applying an electrical voltage. Since piezoelectric elements react very quickly to changes in voltage, a correspondingly rapid change in length in the excitation actuator can be generated by the application of a high-frequency voltage, which has an effect on the tool 60 embodied here by way of example as a grinding wheel.
  • the excitation actuator 100 can also be designed as a magnetoresistive actuator in which the electrical resistance can be changed by applying an external magnetic field.
  • the superposition vibrations in the direction of arrow 110 are generated orthogonal to the longitudinal axis L of the tool shaft 64 and the tool 60 designed as a grinding wheel.
  • the excitation with the superposition oscillations according to arrow direction 110 takes place in the direction of the longitudinal axis L of tool shaft 64 and tool 60 and thus perpendicular to the plane of movement of the tool 60 designed as a grinding wheel.
  • the excitation actuator 100 via which the superposition oscillations are generated, acts either directly on the tool shaft 64 or one or both bearings 70 and 72 or directly the tool 60 with the superposition vibrations in the axial direction.

Landscapes

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer handgehaltenen Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine (10) umfassend - ein Gehäuse (20) mit einem Griffbereich (40), - einen Werkzeugbereich (50) für ein linear und/oder oszillierend antreibbares Werkzeug (60), - ein gehäuseseitiges Bedienteil (30) zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs (60) und/oder der Elektrowerkzeugmaschine (10), - eine im Gehäuse (20) angeordnete Antriebseinheit (80) zur Erzeugung einer Arbeitsbewegung des Werkzeugs (60), - eine im Gehäuse (20) angeordnete Elektronikeinheit (200) zum Beaufschlagen der Antriebseinheit (80) mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, - eine Betriebsspannungseinheit (90) zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung, wobei die Antriebseinheit (80) wenigstens einen Anregungsaktor (100) mit einem Volumen anregungsaktiven Materials umfasst, welcher - im Betrieb von der Betriebsspannungseinheit (90) elektrisch versorgt ist, - von der Elektronikeinheit (200) gesteuert oder geregelt ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Elektronikeinheit (200) ausgebildet ist, um den wenigstens einen Anregungsaktor (100) in einer Resonanzfrequenz (f_res) zu betreiben.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine umfassend ein Gehäuse mit einem Griffbereich, einen Werkzeugbereich für ein linear und/oder rotativ oszillierend antreibbares Werkzeug, ein gehäuseseitiges Bedienteil zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs und/oder der Elektrowerkzeugmaschine, eine im Gehäuse angeordnete Antriebseinheit zur Erzeugung einer Arbeitsbewegung des Werkzeugs, eine im Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit zum Beaufschlagen der Antriebseinheit mit der benötigten Bearbeitungsleistung bestehend aus wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, eine Betriebsspannungseinheit zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung an die Elektronikeinheit, wobei die Antriebseinheit wenigstens einen Anregungsaktor mit einem Volumen anregungsaktiven Materials umfasst, welcher im Betrieb von der Betriebsspannungseinheit elektrisch versorgt ist, von der Elektronikeinheit gesteuert oder geregelt ist.
  • Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschinen zeichnen sich dadurch aus, dass diese tragbar sind und von einem Bediener im Betrieb in der Hand gehalten und geführt werden. Sie können kabellos über Batteriepacks oder mit Netzstrom betrieben werden. Insbesondere bestehen diese in der Regel aus nur einem Gehäuse, welches vollständig vom Benutzer gehalten wird.
  • In der EP 1598171 B1 wird ein mechanischer Aufbau eines Schweißkopfes einer tragbaren Schweißpistole beschrieben, bei der ein Ultraschallaktor den Schweißkopf mit mechanischer Leistung beaufschlagt.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine, umfassend ein Gehäuse mit einem Griffbereich, einen Werkzeugbereich für ein linear und/oder rotativ oszillierend antreibbares Werkzeug, ein gehäuseseitiges Bedienteil zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs und/oder der Elektrowerkzeugmaschine, eine im Gehäuse angeordnete Antriebseinheit zur Erzeugung einer Arbeitsbewegung des Werkzeugs, eine im Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit zum Beaufschlagen der Antriebseinheit mit der benötigten Bearbeitungsleistung bestehend aus wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, eine Betriebsspannungseinheit zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung an die Elektronikeinheit, wobei die Antriebseinheit wenigstens einen Anregungsaktor mit einem Volumen anregungsaktiven Materials umfasst, welcher im Betrieb von der Betriebsspannungseinheit elektrisch versorgt ist, von der Elektronikeinheit gesteuert oder geregelt ist.
  • Es wird vorgeschlagen, dass die Elektronikeinheit ausgebildet ist, um den wenigstens einen Anregungsaktor in einer Resonanzfrequenz zu betreiben.
  • Wird der Anregungsaktor mit seiner Resonanzfrequenz betrieben, so kann bei ausreichend hoher Güte des Schwingsystems entsprechend einer elektrischen Eingangsleistung eine hohe mechanische Ausgangsleistung abgegeben werden. Der Anregungsaktor kann ein Ultraschallanregungsaktor sein, insbesondere ein Piezoaktor in Bauweise eines Langevin-Schwingers. Der Piezoaktor weist als anregungsaktives Material piezoelektrisches Material auf. Typischerweise liegt die Güte des ungedämpften Schwingsystems bei Werten über 100 typischerweise über 500. Das Resonanzsystem des Anregungsaktors, das die Resonanzfrequenz aufweist, umfasst den Langevin-Schwinger mit piezoelektrisch aktivem Material und an den Schwinger angekoppelte Komponenten, insbesondere Komponenten, die den Ultraschall verstärken und/oder zu einem Bearbeitungsort übertragen. Solche Komponenten sind z.B. als Booster oder Sonotrode bekannt. Dies ermöglicht eine Baugrößenreduktion und die Bereitstellung eines kompakten Geräts. Vorteilhaft wird damit eine kompakte Elektrowerkzeugmaschine hoher Leistungsfähigkeit geschaffen, die gleichzeitig handlich ist.
  • Es können auch mehrere Anregungsaktoren, z.B. mit gleicher oder auch mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz, als Antriebskomponente vorgesehen sein. Alternativ können auch eine oder mehrere weitere Antriebskomponenten, etwa ein Elektromotor, vorgesehen sein. Die verschiedenen Antriebskomponenten können alternativ oder in Kombination betrieben werden. Wird der wenigstens eine Anregungsaktor in Resonanz betrieben, ist die Leistungsausbeute besonders hoch, so dass bei gegebener Ausgangsleistung der Elektrowerkzeugmaschine die Bauweise besonders kompakt sein kann, was der komfortablen Handhabung der handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine dient. Die vorgeschlagene Elektrowerkzeugmaschine ist ein einteiliges Gerät, bei dem auf störende Verbindungskabel zwischen separaten Gehäuseteilen verzichtet werden kann. Die Elektrowerkzeugmaschine kann schnurlos mit Batterien oder Akkus betreibbar sein oder auch - zusätzlich oder alternativ - mit Netzstrom über ein Netzkabel betreibbar sein. Das Werkzeug kann ein Einsatzwerkzeug sein, das lösbar mit dem Anregungsaktor verbunden ist, oder es kann mit dem Anregungsaktor fest verbunden sein. Die Verbindung kann z.B. stoffschlüssig oder kraftschlüssig sein. Die Elektrowerkzeugmaschine ist insbesondere eine Bearbeitungsmaschine, mit der Gegenstände oder Oberflächen bearbeitet oder verändert werden, wie etwa Bohrer, Bohrhämmer, Schneidwerkzeuge, Schleifmaschinen, Fräsen, Sägen, Schweißgeräte und dergleichen.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Elektronikeinheit eine Regeleinheit mit Frequenzanpassung zur Nachführung der Resonanzfrequenz des wenigstens einen Anregungsaktors umfassen. Vorteilhaft kann im Betrieb der Elektrowerkzeugmaschine die Resonanzfrequenz kontinuierlich angepasst werden, wenn sich etwa wegen Temperaturänderung, Wechsel des an den Anregungsaktor angekoppelten Werkzeugs oder bei Belastung des Werkzeugs die Resonanzfrequenz des Anregungsaktors ändert. Damit wird im Betrieb stets eine optimale Leistungsausbeute ermöglicht. Vorteilhaft kann die Elektronikeinheit eine Phasenregelkette umfassen, mit der die Resonanzfrequenz mit hoher Genauigkeit angeregt werden kann. So kann eine Phasenverschiebung zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung, welche dem piezoelektrisch aktiven Material zur Anregung der Ultraschallschwingungen zugeführt werden, auf einen festen Wert, insbesondere 0° Phasendifferenz zwischen dem Strom- und Spannungssignal, eingestellt und gehalten werden, womit eine optimale Leistungsausbeute erreicht werden kann.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann das Volumen des piezoelektrisch aktiven Materials mindestens 0,2 cm3, vorzugsweise 0,5 cm3, insbesondere mindestens 1 cm3, betragen. Vorteilhaft kann eine ausreichende Ultraschallleistung bei kleiner Baugröße des Anregungsaktors erreicht werden.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann der wenigstens eine Anregungsaktor eine Leistungsdichte von mindestens 5 Watt/cm3, vorzugsweise von mindestens 20 Watt/cm3, bezogen auf das Volumen des piezoelektrisch aktiven Materials des wenigsten einen Anregungsaktors aufweisen. Eine entsprechend hohe Leistungsdichte ist vorteilhaft für eine handgehaltene kompakte Elektrowerkzeugmaschine mit möglichst kleinen Abmessungen und geringen Herstellkosten.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung kann der wenigstens eine Anregungsaktor an der Werkzeugspitze eine Schwingamplitude von mindestens 3 µm, vorzugsweise mindestens 8 µm, insbesondere mindestens 12 µm aufweisen. Eine entsprechend hohe Schwingamplitude ist vorteilhaft für eine gute Leistungsübertragung auf das Werkstück und damit für einen hohen Arbeitsfortschritt durch die Elektrowerkzeugmaschine.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eingangsseitig der Elektronikeinheit eine elektrische Leistung zur Beaufschlagung des wenigstens einen Anregungsaktors mindestens 20 Watt betragen. Vorteilhaft kann damit eine ausreichende Leistung für eine Elektrowerkzeugmaschine sichergestellt werden. Übliche Leistungen liegen im Heimwerkerbereich, für kleine Schneidsysteme etwa zwischen 20 Watt und 250 Watt, vorzugsweise 50 Watt bis 150 Watt. Für leistungsstärkere Anwendungen, z.B. Bohren, werden Leistungen ab 50W bis 1000W, vorzugsweise 200 Watt bis 500 Watt benötigt. Im professionellen Handwerkerbereich liegt der Leistungsbedarf für kleine Systeme etwa zwischen 50 und 400 Watt, vorzugsweise 100 bis 250 Watt. Bei großen Systemen werden Leistungen von 200 W bis 2000 Watt, vorzugsweise 400 Watt bis 1000 Watt eingesetzt. Trotzdem kann eine Elektrowerkzeugmaschine mit handlichen Abmessungen geschaffen werden, die zum einen von der Hand des Bearbeiters umfasst oder gehalten werden kann und zum anderen ausreichend Leistung zur Bearbeitung bereitstellt.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eine maximale elektrische Anregungsfeldstärke des wenigstens einen Anregungsaktors im Bereich unterhalb von 300 V/mm liegen (bezogen auf die Dicke, insbesondere Scheibendicke, des piezoelektrisch aktiven Materials), vorzugsweise im Bereich zwischen 50 V/mm und 220 V/mm. Bei einer Scheibendicke des Anregungsaktors von typischerweise 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 2 mm bis 6 mm, insbesondere um 5 mm liegen die elektrischen Spannungen bei unter 1000 Volt. Dies ermöglicht vorteilhaft einen Einsatz des Anregungsaktors in der handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine mit ausreichender mechanischer Ausgangsleistung bei vorteilhaft kleinen Abmessungen.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eine elektrische Ausgangsspannung der Betriebsspannungseinheit bei Versorgung mit Elektrochemischen Speichern innerhalb von 3 Volt bis 100 Volt DC liegen vorzugsweise im Bereich von 3,5V bis 40V, insbesondere bei 36 Volt, 24 Volt, 18 Volt, 14,4 Volt, 12 Volt, 10,6 Volt, 7,2 Volt und 3,6 Volt. Vorteilhaft können Batteriepacks oder nachladbare Akkupacks eingesetzt werden, die klein und leicht genug sind, um eine gute Handhabbarkeit der Elektrowerkzeugmaschine bei hoher Ausgangsleistung noch zu gewährleisten.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann ein Gleichspannungsanteil der elektrischen Ausgangsspannung der Betriebsspannungseinheit bei Versorgung mit Netzspannung innerhalb 0,5 UNetz (Effektivwert der Netzspannung) bis 2 UNetz liegen. Vorzugsweise z.B. unter Verwendung eines Brückengleichrichters mit Glättungskondensator bei 1,4 UNetz. In einer weiteren Ausführung kann die Netzspannung mittels eines eingangsseitigen Transformators auf eine für die Betriebsspannungseinheit geeignete Spannung gewandelt werden.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Betriebsfrequenz des wenigstens einen Anregungsaktors im Bereich zwischen 10 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 30 kHz und 50 kHz, insbesondere zwischen 35 kHz und 45 kHz, besonders bevorzugt um 40 kHz, liegen. Mit steigender Frequenz sinkt die Baugröße der Komponenten und steigt die mechanische Belastung des Schwingsystems, wobei sich im ausgewählten Frequenzbereich vorteilhafte Größenverhältnisse bei hoher Ausgangsleistung und günstigem Gewicht der Elektrowerkzeugmaschine ergeben.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Betriebsspannungseinheit einen elektrochemischen Speicher umfassen, vorzugsweise einen wiederaufladbaren elektrochemischen Speicher. Die Betriebsspannungseinheit hat einen nur geringen Platzbedarf, was für die Kompaktheit und das Gewicht der Elektrowerkzeugmaschine vorteilhaft ist. Günstig sind Systeme auf der Basis von z.B. Lithium-Ionen (Li-Ion) oder auch Nickel-Metallhydrid (NiMeH), Nickel-Cadmium (NiCd) oder auch Blei und dergleichen. Diese können fest im Gehäuse integriert sein und über einen Ladeanschluss nachgeladen werden. Alternativ kann die Betriebsspannungseinheit als Wechselsystem ausgebildet sein, mit austauschbaren elektrochemischen Speichern, die gegebenenfalls auch extern wiederaufladbar sein können, und die in eine dafür vorgesehene Aufnahme im oder am Gehäuse eingesteckt werden können. Die Nennspannung der Betriebsspannungseinheit kann je nach Leistungsanforderung z.B. zwischen 3 Volt dc und 48 Volt dc liegen, z.B. bei 12 Volt dc.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Betriebsspannungseinheit eine AC/DC-Wandlungseinheit umfassen. In diesem Fall kann auch ein Netzanschluss für die Elektrowerkzeugmaschine vorgesehen sein, und in der Betriebsspannungseinheit kann die Gleichrichtung und Glättung der Netzspannung erfolgen. Zwar benötigt die Aufbereitung der Netzspannung mehr Platz als ein Energiespeicher, der weitere platzsparende und kompakte Aufbau in einem einzigen Gehäuse ermöglicht jedoch weiterhin eine vereinfachte Bedienung und Handhabung der Elektrowerkzeugmaschine.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Elektronikeinheit auf einer Platine konzentriert sein. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung im Gehäuse. Die elektronische Ansteuerung des Anregungsaktors ist besonders kompakt.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann zur Signalfilterung und zur induktiven Kompensation des wenigstens einen Anregungsaktors wenigstens eine Induktivität in einem Leistungskreis der Elektronikeinheit, der den wenigstens einen Anregungsaktor mit elektrischer Leistung beaufschlagt, vorgesehen sein. Es kann ein platzsparender Aufbau der Leistungsinduktivitäten in einem einzigen Spulenkern realisiert werden. Die bei Anregungsaktoren günstige Signalfilterung und induktive Kompensation des Piezoaktors kann direkt über eine gezielt eingestellte Streuinduktivität eines sowieso benötigten Übertragungstransformators bereitgestellt bzw. durch eine auf demselben Spulenkern gewickelte Induktivität gegeben werden. Ein zusätzlicher Spulenkern mit einer weiteren Induktivität im Leistungskreis kann dadurch entfallen.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann wenigstens Antriebseinheit, Elektronikeinheit und Betriebsspannungseinheit so im Gehäuse verteilt sein, dass ein Masseschwerpunkt im Bereich des Griffteils liegt. Der Bediener kann die Elektrowerkzeugmaschine sicher und bequem handhaben. Die Sicherheit und der Bedienkomfort werden erhöht.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Antriebseinheit neben dem wenigstens einen Anregungsaktor mindestens eine weitere Antriebskomponente umfassen. Vorteilhaft kann der Arbeitsbewegung eines durch die mindestens eine weitere Antriebskomponente angetriebenen Werkzeugs eine durch den wenigstens einen Anregungsaktor Bewegung überlagert werden, wodurch der Arbeitsfortschritt erheblich verbessert und die Bearbeitung erleichtert werden kann.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann der wenigstens eine Anregungsaktor einen Hauptenergieverbraucher der Elektrowerkzeugmaschine bilden, für den vorzugsweise mindestens 50% elektrische Eingangsleistung vorgesehen sein können. In einer günstigen Weiterbildung kann für den Anregungsaktor mindestens 75%, vorzugsweise mindestens 80% der elektrischen Eingangsleistung vorgesehen sein. Der Arbeitsfortschritt der Elektrowerkzeugmaschine beim Einsatz von Ultraschall ist besonders groß, so dass ein weiterer Energieverbraucher, insbesondere eine weitere Antriebskomponente, wie etwa ein Bohrer, ein Meisel, ein Messer oder dergleichen, kleiner ausgelegt werden kann. Damit kann auch der Antrieb und die zugehörigen Elektronikkomponenten und die Energieversorgung kleiner ausfallen, was wiederum einen verbesserten Bedienkomfort und eine verbesserte Handhabung der handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine erlaubt.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eine oder mehrere Betriebsanzeigen für einen aktivierten Zustand des wenigstens einen Anregungsaktors vorgesehen sein. Die Anzeige kann dabei optisch und/oder akustisch und/oder haptisch erfolgen. Die Betriebssicherheit der Elektrowerkzeugmaschine wird erhöht, da klar erkennbar ist, wenn der Anregungsaktor aktiviert ist und mechanische Leistung abgeben kann.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Antriebseinheit, welche dem Werkzeug eine Arbeitsbewegung aufprägt, dem Werkzeug Überlagerungsschwingungen aufprägen. Die Antriebseinheit kann als weitere Antriebskomponente beispielsweise einen elektrischen Antriebsmotor aufweisen, der in dem Gehäuse der Elektrowerkzeugmaschine aufgenommen ist. Die Motorwelle ist in der Regel über eine Getriebeeinheit mit einer Werkzeugwelle gekoppelt, die Träger des Werkzeuges ist und die Arbeitsbewegung ausführt. Das Werkzeug ist üblicherweise auswechselbar auf der Werkzeugwelle zu befestigen.
  • Die Elektrowerkzeugmaschine kann z.B. zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden, wobei zur Verringerung der Spangröße vorteilhaft der Anregungsaktor in der Elektrowerkzeugmaschine angeordnet ist, welcher Überlagerungsschwingungen im Werkzeug erzeugen kann. Diese Überlagerungsschwingungen sind der Arbeitsbewegung des Werkzeugs überlagert.
  • Die Überlagerungsschwingungen, welche nicht von dem Antriebsmotor, sondern von dem Anregungsaktor ausgehen, können je nach Art der Elektrowerkzeugmaschine sowie in Abhängigkeit des verwendeten Werkzeuges und des zu bearbeitenden Werkstückmaterials mit einer Frequenz erzeugt werden, die zu einer signifikanten Verringerung der Spangröße führt. Da kleinere Späne auch eine kleinere Wärmekapazität aufweisen, können sich die Späne in einem kürzeren Zeitraum abkühlen, wodurch die Brandgefahr reduziert ist. Außerdem führen die kleineren Späne an sich zu einer reduzierten Verletzungsgefahr, da der von ihnen ausgehende Impuls geringer ist.
  • Die Frequenz der Überlagerungsschwingungen liegt zweckmäßigerweise im Ultraschallbereich und kann somit beispielsweise zumindest 20 kHz betragen. Diese verhältnismäßig hohe Frequenz hat zum einen den Vorteil, dass Schwingungen in dieser Größenordnung nicht mehr für den Menschen zu hören sind, so dass keine Lärmbelästigung entsteht. Zum andern hat es sich gezeigt, dass Schwingungen ab dieser Größenordnung besonders wirksam sind, um die Größe der Späne, die bei der Bearbeitung eines Werkstückes entstehen, signifikant zu reduzieren.
  • Es kann zweckmäßig sein, Überlagerungsschwingungen zu erzeugen, die in noch erheblich größeren Größenordnungen liegen. Grundsätzlich kommen Schwingungen bis hin in den Megahertzbereich in Betracht. Außerdem ist es auch möglich, Überlagerungsschwingungen mit niedrigerer Frequenz zu generieren.
  • Auf Grund der Überlagerung zu der Arbeitsbewegung des Werkzeugs einerseits sowie der in der Regel deutlich höheren Frequenz bleibt das Erzeugen der Überlagerungsschwingungen ohne Einfluss auf die Arbeitsbewegung und damit auf das Ergebnis der Werkstückbearbeitung. Zudem weisen die Überlagerungsschwingungen üblicherweise nur eine sehr geringe Amplitude auf, so dass die Bearbeitung des Werkstückes nicht beeinträchtigt ist.
  • Die vorteilhafte Generierung von Überlagerungsschwingungen im Werkzeug kann sowohl bei rotatorischen als auch bei translatorischen bzw. gemischt rotatorischtranslatorischen Arbeitsbewegungen des Werkzeugs eingesetzt werden. Gemäß einer günstigen Ausführung ist die Elektrowerkzeugmaschine als Schleifgerät, beispielsweise als Winkelschleifer ausgebildet, die als Werkzeug eine an einer Werkzeugwelle gelagerte Schleifscheibe aufweist, wobei in diesem Fall die Werkzeugbewegung eine ausschließliche Rotationsbewegung ist. In Betracht kommen aber auch translatorische Bewegungen, beispielsweise bei Hubsägen, die eine oszillierende Hubbewegung ausführen.
  • Die Überlagerungsschwingungen können gemäß einer vorteilhaften Ausführung orthogonal zur Bewegungsebene des Werkzeugs angeregt werden, in der die Arbeitsbewegung stattfindet. Beispielsweise können bei Schleifscheiben die Überlagerungsschwingungen in Richtung der die Schleifscheibe tragenden Werkzeugwelle aufgebracht werden. Bei einer translatorischen Arbeitsbewegung erfolgt dagegen die Überlagerungsschwingung senkrecht zur Translationsbewegung.
  • Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist es aber auch möglich, dass die Überlagerungsschwingungen das Werkzeug in der Bewegungsebene anregen. Im Falle einer Schleifscheibe bedeutet dies, dass die Schleifscheibe senkrecht zur Werkzeugwelle angeregt wird, so dass der Vektor der Anregung in der Bewegungsebene der Schleifscheibe liegt.
  • Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, die von dem Anregungsaktor ausgehenden Überlagerungsschwingungen auf ein Lager des Werkzeugs wirken zu lassen, wobei die Schwingungen sich über das Lager auch auf das Werkzeug ausbreiten. Im Falle von mehreren Lagern erfolgt dies vorzugsweise über das werkzeugnahe Lager, um eine Belastung der Getriebeeinheit sowie des Antriebsmotors durch die Überlagerungsschwingungen zu vermeiden.
  • Als Anregungsaktor können verschieden ausgeführte, aktive Stellglieder eingesetzt werden, die durch Zufuhr von Energie zur Schwingungserzeugung angeregt werden können. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass der Anregungsaktor als Langevin-Schwinger mit eingespannten Piezoelementen ausgebildet ist, das durch Anlegen einer Spannung seine Ausdehnung ändert. Durch eine entsprechend hochfrequente Spannungsbeaufschlagung kann sich das Piezoelement in der gewünschten Frequenz der Überlagerungsschwingungen ausdehnen und zusammenziehen, wobei der Anregungsaktor mit einem Bauteil in der Kraftübertragungskette zwischen Antriebseinheit bzw. Antriebsmotor und Werkzeug gekoppelt ist, so dass sich die Schwingungen des Anregungsaktors bis in das Werkzeug ausbreiten können. Wie bereits zuvor beschrieben, erfolgt die Anregung vorzugsweise über ein Lager der Werkzeugwelle, die das Werkzeug trägt. Gemäß einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass der Anregungsaktor als magnetorestriktiver Anregungsaktor ausgebildet ist, was sich insbesondere zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen eignet.
    • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
    • Es zeigen beispielhaft:
    • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine in einer Ausgestaltung als Schneidgerät;
    Fig. 2
    ein weiteres Ausführungsbeispiel einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine in einer Ausgestaltung als Bohrgerät;
    Fig. 3a, 3b
    eine Prinzipskizze einer Ansteuerung mit einer Wechselspannungsversorgung mit Netzstrom oder einer Gleichspannungsversorgung mit einem Batteriepack (Fig. 3a) und eine günstige Taktung zur Verminderung der Baugröße einer Filtereinheit (Fig. 3b);
    Fig. 4
    einen Verlauf einer Ultraschallamplitude entlang einer Sonotrode;
    Fig. 5
    eine Impedanzkennlinie zum Nachweis einer Resonanzfrequenz eines Anregungsaktors;
    Fig. 6
    ein Ersatzschaltbild eines idealen Transformators;
    Fig. 7
    eine als Winkelschleifer ausgebildete elektrische Elektrowerkzeugmaschine im Schnitt;
    Fig. 8
    in Einzeldarstellung die auf einer Werkzeugwelle angeordnete Schleifscheibe des Winkelschleifers aus Fig. 7, wobei die Werkzeugwelle in Lagern aufgenommen ist und das werkzeugnahe Lager von einem Anregungsaktor quer zur Wellenachse mit hochfrequenten Schwingungen beaufschlagt ist;
    Fig. 9
    die Schleifscheibe aus Fig. 8 mit Lager und Anregungsaktor in einer Draufsicht; und
    Fig. 10
    ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Anregungsaktor die die Schleifscheibe tragende Werkzeugwelle in Achslängsrichtung mit hochfrequenten Schwingungen beaufschlagt.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
  • Zur Erläuterung der Erfindung zeigen die Figuren 1 und 2 verschiedene Beispiele von handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschinen 10. Fig. 1 zeigt ein Schneidgerät mit langgestreckter Gehäuseform; Fig. 2 zeigt ein Bohrgerät mit T-förmiger Gehäuseform.
  • Die handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine 10 umfasst ein Gehäuse 20 mit einem Griffbereich 40. Ein Bediener hält die Elektrowerkzeugmaschine 10 an dem Griffbereich 40 und kann die Elektrowerkzeugmaschine 10 führen. Der Griffbereich 40 kann gegebenenfalls mit einem nicht dargestellten Dämpfungselement gegenüber andern Gehäusebereichen entkoppelt sein. Die Elektrowerkzeugmaschine 10 umfasst ferner einen Werkzeugbereich 50 für ein linear und/oder oszillierend antreibbares Werkzeug 60, etwa ein Messer (Fig. 1) oder einen Bohrer (Fig. 2) oder ein anderes Werkzeug entsprechend einem anderen Gerätetyp.
  • Ein gehäuseseitiges Bedienteil 30 dient zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs 60 und/oder der Elektrowerkzeugmaschine 10. Das Bedienteil 30 kann z.B. ein Schalter oder ein Regler sein oder auch mehrere Bedienelemente umfassen, von denen z.B. eines zum Einschalten der Elektrowerkzeugmaschine 10 und eines zum Einschalten und/oder Regeln des Werkzeugs 60 vorgesehen sein kann.
  • Im Gehäuse 20 ist eine Antriebseinheit 80 angeordnet, die in den Beispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 nur eine Antriebskomponente umfasst, die durch einen Anregungsaktor 100 gebildet ist. Dieser kann als Piezo-angeregter Langevin-Schwinger (auch Piezoaktor genannt) ausgebildet sein, der ein Volumen piezoelektrisch aktiven Materials 102 umfasst, z.B. piezokeramische Scheiben, die zusammengepresst sind und die bei Beaufschlagung mit elektrischer Spannung eine Längenänderung durchführen. Bei Beauschlagung mit hochfrequenter elektrischer Spannung wird in an sich bekannter Weise Ultraschall generiert, der über einen Koppelelement 106 zu einem Werkzeug 60 geleitet wird. Das Koppelelement 106 kann eine an sich bekannte Sonotrode sein. Die Länge und die Form wie auch das Material des Koppelelements 106 bestimmen eine Resonanzfrequenz des Anregungsaktors 100. Auch das Werkzeug 60 kann die Resonanzfrequenz beeinflussen. In den Ausführungsvarianten in Fig.1 und Fig.2 ist der Anregungsaktor 100 so ausgeführt, dass Langevin-Schwinger und Koppelelement 106 in einer Einheit zusammengefasst sind, und deren gesamte Länge in etwa der halben Wellenlänge λ/2 der Ultraschallschwingung entspricht. Andere Ausführungsvarianten können vorsehen, dass der Anregungsaktor 100 zusammengesetzt ist aus mehreren Komponenten mit der Länge λ/2. Dies können sein: Schwingungserzeuger, bekannt als Konverter, im speziellen z.B. ein Langevin-Schwinger, Amplitudentransformationsstücke 104 bekannt als Booster, ggf. Verlängerungsstücke, sowie dem Koppelelement 106 bekannt als Sonotrode.
  • Eine im Gehäuse 20 angeordnete Elektronikeinheit 200 dient zum Beaufschlagen der Antriebseinheit 80 mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, sowie der Spannungsversorgung des Anregungsaktors 100. Eine Betriebsspannungseinheit 90, hier als Batterie- oder Akkupack mit Batterien oder wiederaufladbaren Akkus 92 ausgebildet, dient zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung für die Elektronikeinheit 90, welche die Betriebsspannung in ein hochfrequentes Spannungssignal umsetzt, mit dem der Anregungsaktor 100 in gewünschter Weise zu Schwingungen angeregt wird.
  • Die Elektronikeinheit 200 ist ausgebildet, um den wenigstens einen Anregungsaktor 100 in einer Resonanzfrequenz f_res zu betreiben. Dabei umfasst die Elektronikeinheit 200 eine Regeleinheit 224 zur Nachführung der Resonanzfrequenz f_res des Anregungsaktors 100. Die Regeleinheit 224 kann eine Phasenregelkette umfassen, die den Anregungsaktor 100 in dessen Resonanzfrequenz anregen kann, wobei eine Phasenverschiebung zwischen dem eingespeisten Strom und der eingespeisten Spannung auf 0° eingestellt wird. Vorzugsweise wird die Resonanzfrequenz f_res nachgeregelt, wenn sich aufgrund von Erwärmung oder Lastwechsel am Werkzeug die Resonanzfrequenz ändert. Alternativ kann auch eine Frequenznachführung erfolgen, indem auf ein Maximum des in den Anregungsaktor 100 eingespeisten Stroms geregelt wird.
  • Ist der Anregungsaktor 100 ein Piezoaktor, beträgt das Volumen des piezoelektrisch aktiven Materials 102, z.B. aufeinandergestapelte piezoelektrische Scheiben, günstigerweise mindestens 0,2 cm3, vorzugsweise 0,5 cm3, insbesondere mindestens 1 cm3. Der Anregungsaktor 100 kann eine Leistungsdichte von mindestens 5 Watt/cm3, vorzugsweise von mindestens 20 Watt/cm3, bezogen auf das Volumen des piezoelektrisch aktiven Materials 102 des Anregungsaktors 100 aufweisen. Die Leistungsdichte ermöglicht einen Einsatz in einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine 10 mit ausreichender Leistungsabgabe des Werkzeugs 60.
  • Die Aktivierung des Werkzeugs 60 durch den Aktivierungsaktor 30 kann mit einem Signalmittel 122 (Fig. 2) angezeigt werden.
  • In Fig. 1 ist die Elektronikeinheit 200 besonders platzsparend auf einer einzigen Platine 210 integriert. In Fig. 2 ist die Elektronikeinheit auf zwei Platinen 212, 214 aufgeteilt, wobei eine im Hauptteil und eine im quer vom Hauptteil abstehenden Griffteil des T-förmigen Gehäuses 20 angeordnet ist. Vorteilhaft sind Antriebseinheit 80, Elektronikeinheit 200 und Betriebsspannungseinheit 90 so im Gehäuse 20 verteilt, dass ein Masseschwerpunkt im Bereich des Griffteils 40 liegt.
  • Fig. 3a zeigt eine Prinzipskizze einer Ansteuerung des Anregungsaktors 100, beispielsweise in Form eines Piezoaktors 100, mit einer Wechselspannungsversorgung aus einem Versorgungsnetz oder einer Gleichspannungsversorgung mit einem Batteriepack.
  • Bei Netzversorgung der Elektronikeinheit 200, z.B. mit 220 Volt ac, ist eine Baugruppe 94 vorgesehen, welche die Wechselspannung gleichrichtet und glättet. Die Elektronikeinheit 200 umfasst eine Leistungserzeugungseinheit 222, in die die Gleichspannung eingespeist wird und die über eine entsprechende Filtereinheit 226 an den Anregungsaktor 100 gekoppelt ist. Eine Regeleinheit 224 stellt die Regelsignale für den Anregungsaktor 100 bereit. Die Betriebsfrequenz des Anregungsaktors 100 liegt im Bereich zwischen 10 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 30 kHz und 50 kHz, insbesondere zwischen 35 kHz und 45 kHz, besonders bevorzugt um etwa 40 kHz.
  • Erfolgt die Versorgung durch die Betriebsspannungseinheit 90 mittels Batterien oder Akkus 92, kann der Platzbedarf verringert werden, da die Baugruppe 94 zur Gleichrichtung und Glättung entfallen kann. Die elektrische Ausgangsspannung der Betriebsspannungseinheit 90 liegt vorzugsweise unterhalb von 100 Volt, etwa bei 36 Volt oder 10,8 Volt.
  • Bevorzugt liegt die maximale elektrische Anregungsfeldstärke des wenigstens einen Anregungsaktors im Bereich unterhalb von 300 V/mm (bezogen auf die Dicke, insbesondere Scheibendicke, des piezoelektrisch aktiven Materials), vorzugsweise im Bereich zwischen 50 V/mm und 220 V/mm. Bei einer Scheibendicke des Anregungsaktors 100 von typischerweise 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 2 mm bis 6 mm, insbesondere um 5 mm liegen die elektrische Spannungen bei unter 1000 Volt
  • In einer Ausführungsvariante kann die Leistungserzeugungseinheit 222 mittels 4 MOSFET Halbleitern in einer an sich bekannten Vollbrückentopologie ausgeführt sein. In einer weiteren Variante kann die Erzeugung des Betriebssignals auch durch eine Halbbrücke (ebenfalls bekannt) mit z.B. einem Mittelpunktskondensator zur Filterung des DC Anteils erfolgen.
  • Fig. 3b illustriert eine Möglichkeit, die Baugröße der Filtereinheit 226 möglichst klein zu gestalten. Dazu kann die Leistungseinheit 222 von der Regeleinheit 224 auch so angesteuert werden, dass diese mittels z.B. einer Sinus-Dreieck-Modulation anstatt einfachen Rechtecksignalen eine sinusähnlichere Rechteckspannung erzeugt. Je nach Höhe der Taktung, also der Anzahl der Einzelpulse, die Zusammen einen Sinus abbilden, kann der Gehalt an unerwünschten harmonischen Oberfrequenzen deutlich reduziert werden was zu einer kleineren Auslegung der Filtereinheit 226 führt. Hierzu ist die Anzahl der Rechteckimpulse pro Periodendauer des Sinussignals größer als 6, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 6 und 100 insbesondere in einem Bereich zwischen 10 und 26. In einer Ausführungsvariante kann die Anzahl und Breite der Rechteckimpulse von der Regeleinheit 224 z.B. bei Laständerungen auch während des Betriebes verändert werden.
  • Fig. 4. zeigt einen Verlauf einer Ultraschallamplitude entlang eines als Piezoaktors ausgebildeten Anregungsaktors 100. Das Koppelelement 106 ist als Sonotrode ausgebildet. Der an das piezoelektrische Material 102 angrenzende Bereich des Anregungsaktor 100 wird zusammen mit den Piezoscheiben 102 als Konverter bezeichnet. Das piezoelektrische Material 102 wird durch die eingespeiste hochfrequente Wechselspannung zu Schwingungen angeregt, die über den Konverter in das Koppelelement 102 übertragen werden. Bei einem wie in Fig. 4 gezeigten dreistufigen Aufbau des Anregungsaktors 100 besteht dieser zusätzlich aus einem Booster 104 zur Amplitudenanpassung. Entlang der Längserstreckung M des Anregungsaktors 100 nimmt im Mittel die Amplitude Amp der angeregten Schwingung zu. Veränderungen der Resonanzfrequenz f_res des Schwingungssystems des Anregungsaktors 100 (gegebenenfalls mit angekoppeltem Werkzeug) im Betrieb werden vorzugsweise ausgeglichen, z.B. mit einer bereits oben erwähnten Phasenregelkette, mit der die Phasenverschiebung zwischen der zur Anregung des Anregungsaktors 100 in diesen eingespeisten elektrischen Spannung und dem eingespeisten elektrischen Strom auf null geregelt wird (Phasen-Null-Regelung), oder mit einer Maximumregelung des in den Anregungsaktor 100 eingespeisten elektrischen Strom.
  • Fig. 5 zeigt eine Impedanzkennlinie eines piezoaktorisch ausgeführten Anregungsaktors mit den Resonanzfrequenzen f_res und f_res2. Kennlinie A zeigt einen Verlauf der Impedanz Imp als Funktion der Frequenz f, die bei der Resonanzfrequenz f_res ein Impedanzminimum und bei f_res2 ein Impedanzmaximum durchläuft. Die Frequenz f_res wird als Serienresonanz, f_res2 als Parallelresonanz bezeichnet.
  • Kurve B zeigt den Verlauf der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, die bei der Resonanzfrequenz einen Nulldurchgang hat und von -90° unterhalb der Resonanzfrequenz f_res auf +90° oberhalb der Resonanzfrequenz f_res ändert. Bei Durchschreiten der Parallelresonanz f_res2 ändert sich die Phasenverschiebung von +90° unterhalb der Resonanzfrequenz auf -90° oberhalb der Resonanzfrequenz.
  • Zur Signalfilterung und zur induktiven Kompensation des wenigstens einen Anregungsaktors 100 kann wenigstens eine Induktivität in einem Leistungskreis der Elektronikeinheit, der den wenigstens einen Anregungsaktor 100 mit elektrischer Leistung beaufschlagt, vorgesehen sein. Es kann ein platzsparender Aufbau der Leistungsinduktivitäten zusammen mit dem Übertragungstransformator in einem einzigen Spulenkern realisiert werden. Die bei Anregungsaktoren 100 günstige Signalfilterung und induktive Kompensation des Piezoaktors kann direkt über eine gezielt eingestellte Streuinduktivität eines sowieso benötigten Übertragungstransformators bereitgestellt bzw. durch eine auf demselben Spulenkern gewickelte Induktivität gegeben werden. Ein zusätzlicher Spulenkern mit einer weiteren Induktivität im Leistungskreis kann dadurch entfallen.
  • Fig. 6 zeigt hierzu zur Erläuterung ein Ersatzschaltbild mit einem idealen Transformator. Die Induktivität M dient der eigentlichen Übertragung von Primärseite zu Sekundärseite. Die Streuinduktivitäten entstehen, da die Wicklungen nie ideal gekoppelt werden können. L1 und L2 bilden den Teil des Magnetfelds ab, der nicht von der Sekundärspule "eingefangen" werden kann. L1 und L2 sind elektrisch wie eine Luftspule anzusehen.
  • Die in Fig. 7 dargestellte als Winkelschleifer dargestellte Elektrowerkzeugmaschine 10 umfasst ein Gehäuse 20, welches aus einem Motorgehäuse 22 und einem Griffgehäuse 24 besteht, wobei zwischen Motorgehäuse 22 und Griffgehäuse 24 ein Dämpfungselement 26 angeordnet ist. Die Elektrowerkzeugmaschine 10 wird am Griffgehäuse 24 gehalten, welches den Griffbereich 40 bildet. Im Motorgehäuse 22 ist eine Antriebseinheit 80 mit einer als elektrischem Antriebsmotor 82 ausgebildeten Antriebskomponente aufgenommen, die über eine Getriebeeinheit 62 mit einer Werkzeugwelle 64 gekoppelt ist und diese antreibt. Die Werkzeugwelle 64 ist Träger eines als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeugs 60, die austauschbar an der Werkzeugwelle 64 befestigt ist.
  • In Fig. 8 ist die Werkzeugwelle 64 und das daran befestigte, als Schleifscheibe ausgebildete Werkzeug 60 in Einzeldarstellung gezeigt. Die Werkzeugwelle 64, die die Längsachse L aufweist, ist in Lagern 70 und 72 drehbar gelagert, die zueinander beabstandet im Gehäuse 20 angeordnet sind. Auf der der Schleifscheibe gegenüberliegenden Stirnseite befindet sich an der Werkzeugwelle 64 ein Kegelrad 74, über das die Werkzeugwelle 64 von dem elektrischen Antriebsmotor 82 angetrieben wird.
  • Um die Größe der Späne zu verringern, die bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit dem als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeug 60 anfallen, wird das als Schleifscheibe ausgebildete Werkzeug 60 zusätzlich zu ihrer rotatorischen Arbeitsbewegung in hochfrequente Schwingungen versetzt. Es handelt sich hierbei um Überlagerungsschwingungen, die der Arbeitsbewegung des als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeugs 60 überlagert werden. Diese Überlagerungsschwingungen werden mithilfe des Anregungsaktors 100 erzeugt, der als weitere Antriebskomponente der Antriebseinheit 80 ebenfalls im Gehäuse 10 der handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine 10 angeordnet ist und direkt oder indirekt das als Schleifscheibe ausgebildete Werkzeug 60 zu den Überlagerungsschwingungen anregt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 beaufschlagt der Anregungsaktor 100 das werkzeugseitige Lager 70 der Werkzeugwelle 64 und erzeugt Überlagerungsschwingungen, die orthogonal zur Längsachse L der Werkzeugwelle 64 gerichtet sind. Diese orthogonal zur Längsachse L gerichteten Überlagerungsschwingungen übertragen sich über die Werkzeugwelle 64 auch auf das als Schleifscheibe ausgebildete Werkzeug 60, das ebenfalls orthogonal zur Längsachse L und damit in ihrer Bewegungsebene Überlagerungsschwingungen ausübt.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, den Anregungsaktor 100 an einer anderen Stelle zu positionieren, beispielsweise am werkzeugfernen Lager 72 oder unmittelbar an einer Position an der Werkzeugwelle 64 oder an dem als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeug 60, um dieses direkt mit Überlagerungsschwingungen zu beaufschlagen.
  • Als Anregungsaktor 100 können verschiedene aktive Stellglieder eingesetzt werden. Bevorzugt werden Stellglieder verwendet. die hochfrequente Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugen, insbesondere in einem Frequenzbereich von mindestens 20 kHz, wobei ggf. auch Frequenzen in höheren Größenordnungen in Betracht kommen, insbesondere bis in den Megahertzbereich hinein, oder auch kleinere Frequenzen.
  • Als Anregungsaktor 100 wird beispielhaft ein Piezoelement verwendet. dessen Länge sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung ändert. Da Piezoelemente sehr schnell auf Spannungsänderungen reagieren, kann durch das Anlegen einer hochfrequenten Spannung eine entsprechend schnelle Längenänderung in dem Anregungsaktor erzeugt werden, die sich auf das hier beispielhaft als Schleifscheibe ausgebildete Werkzeug 60 auswirkt.
  • Der Anregungsaktor 100 kann auch als magnetoresistiver Aktor ausgebildet sein, bei dem durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes der elektrische Widerstand geändert werden kann.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 und 9 werden die Überlagerungsschwingungen in Pfeilrichtung 110 orthogonal zur Längsachse L der Werkzeugwelle 64 bzw. des als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeugs 60 erzeugt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 erfolgt dagegen die Anregung mit den Überlagerungsschwingungen gemäß Pfeilrichtung 110 in Richtung der Längsachse L von Werkzeugwelle 64 und Werkzeug 60 und damit senkrecht zur Bewegungsebene des als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeugs 60. Der Anregungsaktor 100, über den die Überlagerungsschwingungen generiert werden, beaufschlagt entweder unmittelbar die Werkzeugwelle 64 oder eines bzw. beide Lager 70 bzw. 72 oder unmittelbar das Werkzeug 60 mit den Überlagerungsschwingungen in Achsrichtung.

Claims (26)

  1. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine (10) umfassend
    - ein Gehäuse (20) mit einem Griffbereich (40),
    - einen Werkzeugbereich (50) für ein linear und/oder oszillierend antreibbares Werkzeug (60),
    - ein gehäuseseitiges Bedienteil (30) zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs (60) und/oder der Elektrowerkzeugmaschine (10),
    - eine im Gehäuse (20) angeordnete Antriebseinheit (80) zur Erzeugung einer Arbeitsbewegung des Werkzeugs (60),
    - eine im Gehäuse (20) angeordnete Elektronikeinheit (200) zum Beaufschlagen der Antriebseinheit (80) mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen,
    - eine Betriebsspannungseinheit (90) zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung,
    wobei die Antriebseinheit (80) wenigstens einen Anregungsaktor (100) mit einem Volumen anregungsaktiven Materials umfasst, welcher
    - im Betrieb von der Betriebsspannungseinheit (90) elektrisch versorgt ist,
    - von der Elektronikeinheit (200) gesteuert oder geregelt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (200) ausgebildet ist, um den wenigstens einen Anregungsaktor (100) in einer Resonanzfrequenz (f_res) zu betreiben, wobei die Elektronikeinheit (200) eine Regeleinheit (224) mit Frequenzanpassung zur Nachführung der Resonanzfrequenz (f_res) des wenigstens einen Anregungsaktors (100) umfasst.
  2. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anregungsaktive Material piezoelektrisch ist.
  3. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des piezoelektrischen Materials mindestens 0,2 cm3, vorzugsweise 0,5 cm3, insbesondere mindestens 1 cm3, beträgt.
  4. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Anregungsaktor (100) eine Leistungsdichte von mindestens 5 Watt/cm3, vorzugsweise von mindestens 20 Watt/cm3, bezogen auf das Volumen des piezoelektrisch aktiven Materials (102) des wenigsten einen Anregungsaktors (100) aufweist.
  5. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Anregungsaktor an der Werkzeugspitze eine Schwingamplitude von mindestens 3 µm, vorzugsweise mindestens 8 µm, insbesondere mindestens 12 µm aufweist.
  6. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig der Elektronikeinheit (200) eine elektrische Leistung zur Beaufschlagung des wenigstens einen Anregungsaktors (100) mindestens 20 Watt beträgt.
  7. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scheibendicke des Anregungsaktors typischerweise 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 2 mm bis 6 mm, insbesondere um 5 mm beträgt.
  8. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsfeldstärke des wenigstens einen Anregungsaktors (100) im Bereich von 300 V/mm liegen bezogen auf eine Dicke, insbesondere eine Scheibendicke, des piezoelektrisch aktiven Materials, vorzugsweise im Bereich zwischen 50 V/mm und 220 V/mm.
  9. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsspannung des wenigstens einen Anregungsaktors (100) im Bereich unterhalb von 1000 Volt liegt, vorzugsweise im Bereich zwischen 300 Volt und 700 Volt.
  10. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Ausgangsspannung der Betriebsspannungseinheit (90) unterhalb von 100 Volt liegt.
  11. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Ausgangsspannung der Betriebsspannungseinheit (90) oberhalb von 100 Volt liegt.
  12. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenz des wenigstens einen Anregungsaktors (100) im Bereich zwischen 10 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 30 kHz und 50 kHz, insbesondere zwischen 35 kHz und 45 kHz, liegt.
  13. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannungseinheit (90) einen elektrochemischen Speicher (92) umfasst, vorzugsweise einen wiederaufladbaren elektrochemischen Speicher (92).
  14. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannungseinheit (90) einen Gleichrichter (94) umfasst.
  15. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (200) auf einer Platine (210) konzentriert ist.
  16. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Signalfilterung und/oder zur induktiven Kompensation des wenigstens einen Anregungsaktors (100) wenigstens eine Induktivität in einem Leistungskreis der Elektronikeinheit (200), der den wenigstens einen Anregungsaktor (100) mit elektrischer Leistung beaufschlagt, vorgesehen ist.
  17. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Antriebseinheit (80), Elektronikeinheit (200) und Betriebsspannungseinheit (90) so im Gehäuse (20) verteilt sind, dass ein Masseschwerpunkt im Bereich des Griffteils (40) liegt.
  18. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (80) neben dem wenigstens einen Anregungsaktor (100) mindestens eine weitere Antriebskomponente umfasst.
  19. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Anregungsaktor (100) einen Hauptenergieverbraucher der Elektrowerkzeugmaschine (10) bildet, für den vorzugsweise mindestens 50% elektrische Eingangsleistung vorgesehen sind.
  20. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere optische und/oder akustische und/oder haptische Betriebsabzeigen (120, 122) für einen aktivierten Zustand des wenigstens einen Anregungsaktors (100) vorgesehen sind.
  21. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsaktor (100) zur Erzeugung von Überlagerungsschwingungen im Werkzeug (60) vorgesehen ist, die einer Arbeitsbewegung des Werkzeugs (60) überlagert sind.
  22. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (60) drehbar gelagert ist und die Arbeitsbewegung des Werkzeugs (60) eine Rotationsbewegung ist.
  23. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (60) eine Schleifscheibe ist.
  24. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungsschwingungen das Werkzeug (60) in wenigstens einer der folgenden Richtungen anregen
    - orthogonal zur Bewegungsebene des Werkzeugs (60), in der die Arbeitsbewegung des Werkzeugs (60) stattfindet;
    - in Richtung der Längsachse (L) einer das Werkzeug (60) tragenden Werkzeugwelle (64);
    - in der Bewegungsebene, in der die Arbeitsbewegung des Werkzeugs (60) stattfindet; und/oder
    - senkrecht zur Werkzeugwelle (64).
  25. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsaktor (100) auf ein Lager (70, 72) des Werkzeugs (60) wirkt.
  26. Handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anregungsaktive Material (104) des Anregungsaktors (100) magnetorestriktiv ist.
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