EP3181303A1 - Steuerungsverfahren und handwerkzeugmaschine - Google Patents

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EP3181303A1
EP3181303A1 EP15199870.5A EP15199870A EP3181303A1 EP 3181303 A1 EP3181303 A1 EP 3181303A1 EP 15199870 A EP15199870 A EP 15199870A EP 3181303 A1 EP3181303 A1 EP 3181303A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drill
rotation
value
speed
control method
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Withdrawn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
EP15199870.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Peters
Helene KAPS
Markus Hartmann
Klaus-Peter Bohn
Thilo Hammers
Bastian Pluemacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Priority to EP15199870.5A priority Critical patent/EP3181303A1/de
Priority to PCT/EP2016/079809 priority patent/WO2017102415A1/de
Priority to EP16806096.0A priority patent/EP3389935B1/de
Priority to US16/061,990 priority patent/US10906166B2/en
Publication of EP3181303A1 publication Critical patent/EP3181303A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D16/00—Portable percussive machines with superimposed rotation, the rotational movement of the output shaft of a motor being modified to generate axial impacts on the tool bit
    • B25D16/006—Mode changers; Mechanisms connected thereto
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D11/00—Portable percussive tools with electromotor or other motor drive
    • B25D11/06—Means for driving the impulse member
    • B25D11/062—Means for driving the impulse member comprising a wobbling mechanism, swash plate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D17/00—Details of, or accessories for, portable power-driven percussive tools
    • B25D17/06—Hammer pistons; Anvils ; Guide-sleeves for pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25F—COMBINATION OR MULTI-PURPOSE TOOLS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DETAILS OR COMPONENTS OF PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS NOT PARTICULARLY RELATED TO THE OPERATIONS PERFORMED AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B25F5/006—Vibration damping means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2216/00—Details of portable percussive machines with superimposed rotation, the rotational movement of the output shaft of a motor being modified to generate axial impacts on the tool bit
    • B25D2216/0007—Details of percussion or rotation modes
    • B25D2216/0023—Tools having a percussion-and-rotation mode
    • B25D2216/003—Tools having a percussion-and-rotation mode comprising de-phasing of percussion and rotation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2222/00—Materials of the tool or the workpiece
    • B25D2222/21—Metals
    • B25D2222/42—Steel
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    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2222/00—Materials of the tool or the workpiece
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    • B25D2250/195—Regulation means
    • B25D2250/201—Regulation means for speed, e.g. drilling or percussion speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2250/00—General details of portable percussive tools; Components used in portable percussive tools
    • B25D2250/221—Sensors

Definitions

  • the present invention relates to a control method for a hand tool with a drill bit which simultaneously rotates a drill and applies blows longitudinally to the drill.
  • US4732218 describes a hammer drill.
  • the hammer drill has a pneumatic percussion mechanism that periodically impacts a drill bit.
  • the drill is also rotated about its longitudinal axis.
  • the hammer drill is used in particular to drill holes in mineral building materials, such as concrete.
  • the drills used are therefore optimized for the processing of mineral building materials.
  • the drill can hit a rebar. The drilling progress is then very low.
  • US6640205 describes a rotary hammer that examines returning shock waves in the drill during excavation of a subsurface. Based on the shock waves, a material composition of the subsurface is determined.
  • the control method according to the invention is for a drill-making hand tool machine for machining a substrate by means of a drill.
  • the hand tool machine has a tool holder for holding a drill on a working axis, a rotary drive for rotating the tool holder about the working axis, and a striking mechanism for applying blows to the drill.
  • the control method comprises the steps of: superimposing a periodic strike on the drill with a stroke rate and rotating the tool holder at a rotational speed in one direction of rotation; Determining a material of the substrate processed by the drill; and adjusting the rotational speed and / or rotational direction based on the determined material, wherein in an iron-based material, the rotational speed are set to a first value and a first rotational direction, with a mineral material, the rotational speed are set to a second value and a second rotational direction, and wherein the first value is less than the second value or the first direction of rotation is left-handed and the second direction of rotation is clockwise.
  • the hand tool first recognizes which material is currently being processed by the drill.
  • the power tool is operated in standard operation with typically maximum impact and rotational power.
  • Iron-based material reduces turning power.
  • the drilling dust is no longer effectively extracted from the well.
  • a portion of the mineral debris remains near the drill head, resulting in more effective degradation of the iron-retained material, e.g. of reinforcing iron contributes.
  • a stroke rate of the impact mechanism is independent of the speed and / or direction of rotation.
  • the rate of impact differs by less than 20%. Efficient mining of both mineral and iron based material is achieved at maximum impact performance.
  • An embodiment provides that the conversion angle of the tool holder between two successive beats at the first speed between 1 degree and 10 degrees and at the second speed is greater than 30 degrees.
  • a portable power tool has a tool holder for holding a drill bit on a working axis, an electric motor, a striking mechanism having a racket moving along the working axis at a stroke rate, a rotary drive that rotationally drives the tool holder at a speed in a rotational direction.
  • An adjusting device is set up for adjusting the rotational speed and / or direction of rotation of the rotary drive, regardless of the stroke rate of the striking mechanism.
  • the hand tool machine can automatically or by the user causes the speed or direction of rotation to adjust them to suit the ground in a suitable manner; supported in both operating modes by an efficiently striking impact mechanism.
  • the striking mechanism is preferably a pneumatic impact mechanism driven by the electric motor.
  • Fig.1 shows a hammer drill 1 as an example of a beating hand-held machine tool.
  • the hammer drill 1 has a tool holder 2, in which coaxial with a working axis 3, a drill, chisel or other beating drill 4 can be used and locked.
  • the hammer drill 1 has a pneumatic striking mechanism 5, which can exert periodic punches in a direction of impact 6 on the drill 4 .
  • a rotary drive 7 can rotate the tool holder 2 continuously about the working axis 3 .
  • the pneumatic hammer 5 and the rotary drive are driven by an electric motor 8 , which is fed from a battery 9 or a power line with electric current.
  • the striking mechanism 5 and the rotary drive 7 are arranged in a machine housing 10 .
  • a handle 11 is typically arranged on a side facing away from the tool holder 2 of the machine housing 10 .
  • the user can hold the hammer drill 1 by means of the handle 11 in operation and lead.
  • An additional auxiliary handle can be attached near the tool holder 2 .
  • an operating button 12 is arranged, which the user can operate preferably with the holding hand.
  • the electric motor 8 is turned on by operating the operating button 12 . Typically, the electric motor 8 rotates as long as the operation button 12 is kept depressed.
  • the drill 4 is movable in the tool holder 2 along the working axis 3 .
  • the drill 4 has an elongated groove, in which a ball or other locking body of the tool holder 2 engages.
  • the user keeps the drill 4 in a working position by the user presses the drill 4 indirectly through the hammer drill 1 to a substrate.
  • the drill 4 has a drill head of sintered metal carbide and a coil for removing cuttings from the wellbore.
  • the tool holder 2 is attached to a spindle 13 of the rotary drive 7 .
  • the tool holder 2 can rotate relative to the machine housing 10 about the working axis 3 .
  • Claws or other suitable means in the tool holder 2 transmit torque from the tool holder 2 on the drill 4.
  • the pneumatic percussion 5 has along the direction of impact 6 a pathogen 14, a racket 15 and an anvil 16.
  • the exciter 14 is forced by means of the electric motor 8 to a periodic movement along the working axis 3 .
  • the exciter 14 is connected via a transmission component 14 for converting the rotational movement of the electric motor 8 in a periodic, translational movement along the working axis 3 .
  • An exemplary transmission component includes an eccentric wheel or a swash plate.
  • a period of the translatory movement of the exciter 14 is predetermined by the rotational speed of the electric motor 8 and possibly a reduction ratio in the transmission component 14 .
  • the racket 15 couples via an air spring to the movement of the exciter 14 .
  • the air spring is formed by a closed between the exciter 14 and the racket 15 pneumatic chamber 17 .
  • the racket 15 moves in the direction of impact 6 until the racket 15 strikes the striker 16 .
  • the striker 16 abuts the drill 4 in the direction of impact 6 and transmits the impact to the drill 4.
  • the period of movement of the striker is identical to the period of movement of the exciter 14.
  • the striker 15 thus strikes at a rate equal to is the inverse of the period.
  • the operating principle of the air spring sets tight limits for the period or the stroke rate, since the efficiency of the pneumatic coupling is dependent on a substantially resonant excitation.
  • the bat 15 typically no longer follows the movement of the exciter 14.
  • the optimum stroke rate is determined by the mass of the bat 15 and the geometric dimensions of the pneumatic chamber 17 .
  • An optimal beat number is in the range between 25 Hz and 100 Hz.
  • the exemplary striking mechanism 5 has a piston-shaped exciter 14 and a piston-shaped racket 15, which are guided by a guide tube 18 along the working axis 3 .
  • the exciter 14 and the racket 15 abut with their lateral surfaces on the inner surface of the guide tube 18 .
  • the pneumatic chamber 17 is closed by the exciter 14 and the racket 15 along the working axis 3 and by the guide tube 18 in the radial direction. Sealing rings in the surfaces of exciter 14 and racket 15 can improve the airtight completion of the pneumatic chamber 17 .
  • the exciter 14 is driven by the electric motor 8 .
  • An eccentric 19 or other converter sets the rotational movement of the electric motor 8 in the periodic translational movement of the exciter 14 .
  • the eccentric 19 is connected via a sub-strand 20 of a drive train 21 to the electric motor 8 .
  • the rotary drive 7 includes the spindle 13, which is arranged coaxially to the working axis 3 .
  • the spindle 13 is hollow, for example, and the striking mechanism 5 is disposed within the spindle.
  • the tool holder 2 is placed on the spindle 13 .
  • the tool holder 2 can be releasably or permanently connected to the spindle 13 via a locking mechanism.
  • the spindle 13 is connected via a reducing gear 22 to the electric motor 8 .
  • the speed of the spindle 13 is less than the rotational speed of the electric motor 8.
  • a slip clutch 23 may be connected.
  • the spindle 13 preferably rotates continuously at a predetermined speed.
  • the speed is predetermined by the reducing gear 22 .
  • the reduction gear 22 has two different ratios.
  • the first reduction is optimized for the mining of mineral rock with a conventional drill bit 4.
  • the speed of the spindle 13 is in the first reduction in the range between 200 revolutions per minute (rpm) and 1000 rev / min and the spindle 13 rotates right-handed ,
  • rpm revolutions per minute
  • the speed of the spindle 13 is in the first reduction in the range between 200 revolutions per minute (rpm) and 1000 rev / min and the spindle 13 rotates right-handed ,
  • the typical conversion angle causes efficient removal of drill cuttings from the borehole with the conventional drills 4.
  • the second reduction is intended for the removal of iron-based materials, eg a reinforcing iron.
  • the speed is greatly reduced compared to the first reduction, for example, the speed is less than 20 rev / min.
  • the percussion mechanism 5 strikes superimposed on the rotational movement periodically with a stroke rate of more than 5 beats per second on the drill 4.
  • a transfer angle of the drill 4 between two beats is preferably below 10 degrees, for example below 5 degrees, preferably above 1 degree.
  • the helix of the drill 4 transports less or no cuttings out of the borehole.
  • the second reduction can cause a counterclockwise rotation of the spindle 13 .
  • the drill 4 conveys the cuttings into the wellbore instead of pumping it out.
  • the cuttings remaining in the borehole prove advantageous for the removal of the reinforcing iron with the drill 4.
  • the user may preferably operate the reduction gear 22 with a selector switch 24 .
  • the user recognizes, for example, an abruptly decreasing rate of drilling that processes a reinforcing iron, or a sudden impact increasing drilling progress that again mineral material is processed.
  • the selector switch 24 has at least two switching positions. A first switching position is for the superimposed drilling and chiseling removal of mineral material; a second switching position is for the superimposed drilling and chiseling removal of ferrous material. In the first switching position, the reducing gear 22 is in the first reduction and in the second switching position, the reducing gear 22 is switched to the second reduction.
  • the stroke rate of the pneumatic percussion mechanism 5 is equal or approximately the same in both switch positions, preferably the percussion mechanism 5 operates in both switch positions with the highest efficiency or highest degradation performance.
  • the direction of rotation of the spindle 13 is set in the second switching position to a reverse rotation, to reduce the removal of the cuttings.
  • Fig. 1 illustrates an exemplary reduction (shift) transmission 22 in the form of a spur gear.
  • a driving shaft two pinions 25 are fixed with different diameters; on a driven shaft two gears 26 are mounted.
  • the gears are for example permanently engaged with one of the two pinions.
  • a pull key 27 couples each of the gears to the driven shaft.
  • the pulling wedge can equally be arranged on the driving shaft.
  • switching of the transmission 22 can be effected by an axial displacement of the pinions or gears.
  • the transmission can also be realized by a planetary gear. Two of the ring gear, planet carrier and sun gear components are connected to the driving shaft and the driven shaft.
  • a switchable brake allows the remaining third component to rotate freely depending on the switch position or inhibits its rotation.
  • An actuator 28 may manually switch the transmission 22 .
  • the adjusting device 28 includes, for example, the selector switch 24.
  • a mechanical linkage transmits the position of the selector switch 24 to the transmission 22.
  • the actuator 28 may alternatively switch the transmission 22 by means of an actuator 29 .
  • the actuator 29 may be formed electromagnetically, piezoelectrically, hydraulically, pneumatically, etc.
  • the actuator 29 operates the pull key 27, shifts the pinions or gears, or activates the brake.
  • the actuator 28 may automatically switch the transmission 22 .
  • a sensor 30 detects the appropriate reduction for the transmission 22 and switches the transmission 22 with the actuator 29th
  • the hammer drill 1 can automatically detect the ground on which the drill bit 4 hits.
  • the blows of the drill 4 on the mineral rock are more damped than the blows of the drill 4 on the ferrous reinforcing iron.
  • the drill 4 and the Rotary hammer 1 thus experience another retroactive force in the two materials.
  • the vibrations in the hammer drill 1 are significantly higher in a ferrous material than in the rock.
  • the exemplary hammer drill 1 has the sensor 30 for detecting vibrations.
  • the sensor 30 is preferably rigidly connected to the striking mechanism 5 or the machine housing 10 .
  • An exemplary sensor 30 has a cantilever arm on which a piezoelectric polymer film is applied. The arm, excited by the vibrations, generates an electrical signal, which the sensor 30 evaluates.
  • the sensor 30 may be an acceleration sensor which outputs acceleration values as a measure of vibration.
  • the sensor may also be a microphone, preferably for detecting noises in the infrasound.
  • the sensor 30 compares the vibrations to a threshold. Exceeding the threshold value is attributed to drilling of iron-containing material and falling below the threshold value is associated with drilling of mineral material.
  • the threshold value depends on the impact performance of the striking mechanism 5 and can be determined by test series.
  • the sensor 30 or a microprocessor 31 can perform the evaluation of the vibrations.
  • the threshold value can be stored in the microprocessor 31 . Instead of simply comparing it to a threshold, a more complex fingerprint may discriminate the drill bit 4 of rock from drilling ferrous material.
  • the vibrations can be determined in one or more frequency bands.
  • a frequency band has, for example, the beat number as average frequency and, for example, a bandwidth of at most half the beat number.
  • the first harmonic frequency of the beat number may be the average frequency of a frequency band.
  • the hammer drill 1 automatically switches the reducing gear 22 as a function of the material detected by the sensor 30 . In particular, a rapid reduction of the speed is desired when the drill 4 encounters a rebar. Otherwise, the drill 4 can still promote the cuttings completely out of the borehole.
  • the sensor 30 transmits a corresponding control signal to the actuator 29.
  • the removal of the cuttings from the borehole can also be prevented from changing the direction of rotation of the drill 4 .
  • the drills 4 convey the cuttings only with a clockwise rotation of the tool holder 2 out of the borehole.
  • the machining of the reinforcing iron can be used instead of or in addition to a Reduced speed with a counterclockwise rotation of the tool holder 2 done.
  • the change in the direction of rotation can be done for example by the electric motor 8 , since striking mechanism 5 operates substantially independently of the direction of rotation of the electric motor 8 .
  • the transmission 22 has no influence on the rotational speed of the eccentric 19 or the movement of the exciter 14.
  • the drive train 21 branches into a first sub-strand 20 for the pneumatic impact mechanism 5 and a second sub-strand 32 for the spindle 13.
  • the transmission 22 is arranged in the second sub-strand 32 .

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Percussive Tools And Related Accessories (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

Ein Steuerungsverfahren ist für eine bohrmeißelnde Handwerkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Untergrunds mittels eines Bohrers 4 hat die Schritte: Überlagern eines periodischen Schlagens auf den Bohrer 4 mit einer Schlagzahl und eines Drehens des Werkzeughalters 2 mit einer Drehzahl in einer Drehrichtung; Ermitteln eines Materials des von dem Bohrer 4 bearbeiteten Untergrunds; und Einstellen der Drehzahl basierend auf dem ermittelten Materials, wobei bei einem eisenbasierten Material die Drehzahl auf einen ersten Wert und eine erste Drehrichtung eingestellt werden, bei einem mineralischen Material die Drehzahl auf einen zweiten Wert und eine zweite Drehrichtung eingestellt werden und wobei der erste Wert geringer als der zweite Wert ist oder die erste Drehrichtung linksläufig und die zweite Drehrichtung rechtsläufig ist.

Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für eine bohrmeißelnde Handwerkzeugmaschine, die einen Bohrer gleichzeitig dreht und längs auf den Bohrer Schläge ausübt.
  • US4732218 beschreibt einen Bohrhammer. Der Bohrhammer hat ein pneumatisches Schlagwerk, das periodisch Schläge auf einen Bohrer ausübt. Der Bohrer wird ferner um seine Längsachse gedreht. Der Bohrhammer wird insbesondere eingesetzt um Bohrlöcher in mineralische Baumaterialien, wie z.B. Beton, zu bohren. Die verwendeten Bohrer sind daher für die Bearbeitung von mineralischen Bauwerkstoffen optimiert. Allerdings kann der Bohrer auf ein Armierungseisen treffen. Der Bohrfortschritt ist dann sehr gering.
  • US6640205 beschreibt einen Bohrhammer, der während des Abbaus eines Untergrunds rücklaufende Stoßwellen in dem Bohrer untersucht. Basierend auf den Stoßwellen wird eine Materialzusammensetzung des Untergrunds ermittelt.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren ist für eine bohrmeißelnde Handwerkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Untergrunds mittels eines Bohrers. Die Handwerkzeugmaschine hat einen Werkzeughalter zum Haltern eines Bohrers auf einer Arbeitsachse, einen Drehantrieb zum Drehen des Werkzeughalters um die Arbeitsachse und ein Schlagwerk zum Ausüben von Schlägen auf den Bohrer aufweist. Das Steuerungsverfahren hat die Schritte: Überlagern eines periodischen Schlagens auf den Bohrer mit einer Schlagzahl und eines Drehens des Werkzeughalters mit einer Drehzahl in einer Drehrichtung; Ermitteln eines Materials des von dem Bohrer bearbeiteten Untergrunds; und Einstellen der Drehzahl und/oder Drehrichtung basierend auf dem ermittelten Materials, wobei bei einem eisenbasierten Material die Drehzahl auf einen ersten Wert und eine erste Drehrichtung eingestellt werden, bei einem mineralischen Material die Drehzahl auf einen zweiten Wert und eine zweite Drehrichtung eingestellt werden und wobei der erste Wert geringer als der zweite Wert ist oder die erste Drehrichtung linksläufig und die zweite Drehrichtung rechtsläufig ist.
  • Die Handwerkzeugmaschine erkennt zunächst, welches Material aktuell durch den Bohrer bearbeitet wird. Bei mineralischem Material wird die Handwerkzeugmaschine in dem Standardbetrieb mit typischerweise maximaler Schlagleistung und Drehleistung betrieben. Bei eisenbasiertem Material wird die Drehleistung reduziert. Das Bohrmehl wird nicht mehr effektiv aus dem Bohrloch gefördert. Ein Teil des mineralischen Bohrmehls verbleibt in der Nähe des Bohrkopfs, was zu einem effektiveren Abbau des eisenhalten Materials, z.B. des Armierungseisens, beiträgt.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Schlagzahl des Schlagwerks unabhängig von Drehzahl und/oder Drehrichtung ist. Vorzugsweise unterscheidet sich bei eisenbasiertem Material und bei mineralischem Material die Schlagzahl um weniger als 20%. Ein effektiver Abbau sowohl des mineralischen als auch den eisenbasierten Material wird bei maximaler Schlagleistung erreicht. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Umsetzwinkel des Werkzeughalters zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlägen bei der ersten Drehzahl zwischen 1 Grad und 10 Grad und bei der zweiten Drehzahl größer 30 Grad ist.
  • Eine erfindungsgemäße Handwerkzeugmaschine hat einen Werkzeughalter zum Haltern eines bohrmeißelnden Bohrers auf einer Arbeitsachse, einen Elektromotor, ein Schlagwerk, das einen längs der Arbeitsachse mit einer Schlagzahl bewegten Schläger aufweist, einen Drehantrieb, der den Werkzeughalter mit einer Drehzahl in einer Drehrichtung drehend antreibt. Eine Stelleinrichtung ist zum Einstellen der Drehzahl und/oder Drehrichtung des Drehantriebs unabhängig von der Schlagzahl des Schlagwerks eingerichtet. Die Handwerkzeugmaschine kann selbsttätig oder durch den Anwender veranlasst die Drehzahl oder Drehrichtung ändern, um diese in geeigneter Weise dem Untergrund anzupassen; in beiden Betriebsmodi unterstützt durch ein effizient schlagendes Schlagwerk. Das Schlagwerk ist vorzugsweise ein von dem Elektromotor angetriebenes pneumatisches Schlagwerk.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:
    • Fig. 1
    einen Bohrhammer
  • Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
    • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Fig.1 zeigt einen Bohrhammer 1 als Beispiel für eine schlagende handgehaltene Werkzeugmaschine. Der Bohrhammer 1 hat einen Werkzeughalter 2, in welchen koaxial zu einer Arbeitsachse 3 ein Bohrer, Meißel oder anderes schlagendes Bohrer 4 eingesetzt und verriegelt werden kann. Der Bohrhammer 1 hat ein pneumatisches Schlagwerk 5, welches periodisch Schläge in einer Schlagrichtung 6 auf der Bohrer 4 ausüben kann. Ein Drehantrieb 7 kann den Werkzeughalter 2 kontinuierlich um die Arbeitsachse 3 drehen. Das pneumatische Schlagwerk 5 und der Drehantrieb sind von einem Elektromotor 8 angetrieben, welcher aus einer Batterie 9 oder einer Netzleitung mit elektrischem Strom gespeist wird.
  • Das Schlagwerk 5 und der Drehantrieb 7 sind in einem Maschinengehäuse 10 angeordnet. Ein Handgriff 11 ist typischerweise an einer dem Werkzeughalter 2 abgewandten Seite des Maschinengehäuses 10 angeordnet. Der Anwender kann den Bohrhammer 1 mittels des Handgriffs 11 im Betrieb halten und führen. Ein zusätzlicher Hilfsgriff kann nahe dem Werkzeughalter 2 befestigt werden. An oder in der Nähe des Handgriffs 11 ist ein Betriebstaster 12 angeordnet, welchen der Anwender vorzugsweise mit der haltenden Hand betätigen kann. Der Elektromotor 8 wird durch Betätigen des Betriebstasters 12 eingeschaltet. Typischerweise dreht sich der Elektromotor 8 solange, wie der Betriebstaster 12 gedrückt gehalten ist.
  • Der Bohrer 4 ist in dem Werkzeughalter 2 längs der Arbeitsachse 3 beweglich. Beispielsweise hat der Bohrer 4 eine längliche Nut, in welche eine Kugel oder ein anderer Sperrkörper des Werkzeughalters 2 eingreift. Der Anwender hält der Bohrer 4 in einer Arbeitsstellung, indem der Anwender der Bohrer 4 mittelbar durch den Bohrhammer 1 an einen Untergrund anpresst. Der Bohrer 4 hat einen Bohrkopf aus gesintertem Metallkarbid und eine Wendel zum Abtransport von Bohrgut aus dem Bohrloch.
  • Der Werkzeughalter 2 ist an einer Spindel 13 des Drehantriebs 7 befestigt. Der Werkzeughalter 2 kann sich gegenüber dem Maschinengehäuse 10 um die Arbeitsachse 3 drehen. Klauen oder andere geeignete Mittel in dem Werkzeughalter 2 übertragen ein Drehmoment von dem Werkzeughalter 2 auf der Bohrer 4.
  • Das pneumatische Schlagwerk 5 hat längs der Schlagrichtung 6 einen Erreger 14, einen Schläger 15 und einen Döpper 16. Der Erreger 14 wird mittels des Elektromotors 8 zu einer periodischen Bewegung längs der Arbeitsachse 3 gezwungen. Der Erreger 14 ist über eine Getriebekomponente 14 zum Umsetzen der Drehbewegung des Elektromotors 8 in einer periodische, translatorische Bewegung entlang der Arbeitsachse 3 angebunden. Eine beispielhafte Getriebekomponente beinhaltet ein Exzenterrad oder eine Taumelscheibe. Eine Periode der translatorischen Bewegung des Erregers 14 ist durch die Drehzahl des Elektromotors 8 und ggf. ein Untersetzungsverhältnis in der Getriebekomponente 14 vorgeben.
  • Der Schläger 15 koppelt über eine Luftfeder an die Bewegung des Erregers 14 an. Die Luftfeder ist durch eine zwischen dem Erreger 14 und dem Schläger 15 abgeschlossene pneumatische Kammer 17 gebildet. Der Schläger 15 bewegt sich in die Schlagrichtung 6 bis der Schläger 15 auf den Döpper 16 aufschlägt. Der Döpper 16 liegt in der Schlagrichtung 6 an dem Bohrer 4 an und überträgt den Schlag auf der Bohrer 4. Die Periode der Bewegung des Schlägers ist identisch zu der Periode der Bewegung des Erregers 14. Der Schläger 15 schlägt somit mit einer Schlagzahl, die gleich dem Inversen der Periode ist. Das Wirkprinzip der Luftfeder setzt enge Grenzen für die Periode bzw. die Schlagzahl, da die Effizienz der pneumatischen Kopplung auf eine im Wesentlichen resonante Anregung angewiesen ist. Bei einer Abweichung von mehr als 20 % von einer optimalen Schlagzahl folgt der Schläger 15 typischerweise nicht mehr der Bewegung des Erregers 14. Die optimale Schlagzahl ist durch die Masse des Schlägers 15 und die geometrischen Abmessungen der pneumatischen Kammer 17 vorgegeben. Eine optimale Schlagzahl liegt im Bereich zwischen 25 Hz und 100 Hz.
  • Das beispielhafte Schlagwerk 5 hat einen kolbenförmigen Erreger 14 und einen kolbenförmigen Schläger 15, die durch ein Führungsrohr 18 längs der Arbeitsachse 3 geführt sind. Der Erreger 14 und der Schläger 15 liegen mit ihren Mantelflächen an der Innenfläche des Führungsrohrs 18 an. Die pneumatische Kammer 17 ist durch den Erreger 14 und den Schläger 15 längs der Arbeitsachse 3 und durch das Führungsrohr 18 in radialer Richtung abgeschlossen. Dichtungsringe in den Mantelflächen von Erreger 14 und Schläger 15 können den luftdichten Abschluss der pneumatischen Kammer 17 verbessern. Der Erreger 14 wird durch den Elektromotor 8 angetrieben. Ein Exzenterrad 19 oder ein anderer Umsetzer setzt die Drehbewegung des Elektromotor 8 in die periodische Translationsbewegung des Erregers 14 um. Das Exzenterrad 19 ist über einen Teilstrang 20 eines Antriebsstrangs 21 mit dem Elektromotor 8 verbunden.
  • Der Drehantrieb 7 beinhaltet die Spindel 13, welche koaxial zu der Arbeitsachse 3 angeordnet ist. Die Spindel 13 ist beispielsweise hohl, und das Schlagwerk 5 ist innerhalb der Spindel angeordnet. Der Werkzeughalter 2 ist auf der Spindel 13 aufgesetzt. Der Werkzeughalter 2 kann über einen Verschlussmechanismus lösbar oder dauerhaft mit der Spindel 13 verbunden sein. Die Spindel 13 ist über ein untersetzendes Getriebe 22 an den Elektromotor 8 angebunden. Die Drehzahl der Spindel 13 ist geringer als die Drehzahl des Elektromotors 8. Zwischen das untersetzende Getriebe 22 und die Spindel 13 kann eine Rutschkupplung 23 geschaltet sein.
  • Die Spindel 13 dreht sich vorzugsweise kontinuierlich mit einer vorgegebenen Drehzahl. Die Drehzahl ist durch das untersetzende Getriebe 22 vorgegeben. Das untersetzende Getriebe 22 hat zwei unterschiedliche Untersetzungen. Die erste Untersetzung ist optimiert für den Abbau von mineralischem Gestein mit einem herkömmlichen Bohrer 4. Die Drehzahl der Spindel 13 liegt bei der ersten Untersetzung im Bereich zwischen 200 Umdrehungen pro Minute (U/min) und 1000 U/min und die Spindel 13 dreht rechtshändig. Mit der von dem untersetzenden Getriebe 22 unabhängigen Schlagzahl des pneumatischen Schlagwerks 5 dreht sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlägen der Bohrers 4 um einen Umsetzwinkel von mehr als 30 Grad, z.B. mehr als 30 Grad, höchstens 75 Grad. Der typische Umsetzwinkel bewirkt einen effizienten Abtransport von Bohrgut aus dem Bohrloch mit den herkömmlichen Bohrern 4.
  • Die zweite Untersetzung ist für den Abbau von eisenbasierten Materialien, z.B. einem Armierungseisen, vorgesehen. Die Drehzahl ist gegenüber der ersten Untersetzung stark reduziert, beispielsweise liegt die Drehzahl unter 20 U/min. Das Schlagwerk 5 schlägt überlagert zu der Drehbewegung periodisch mit einer Schlagzahl von mehr als 5 Schlägen pro Sekunde auf der Bohrer 4. Ein Umsetzwinkel des Bohrers 4 zwischen zwei Schlägen liegt vorzugsweise unter 10 Grad, beispielsweise unter 5 Grad, vorzugsweise über 1 Grad. Die Wendel des Bohrers 4 transportiert weniger oder kein Bohrgut mehr aus dem Bohrloch. Alternativ kann die zweite Untersetzung einen Linkslauf der Spindel 13 bewirken. Der Bohrer 4 fördert das Bohrgut in das Bohrloch anstatt es herauszufördern. Das in dem Bohrloch verbleibende Bohrgut erweist sich als vorteilhaft zum Abtragen des Armierungseisens mit dem Bohrer 4.
  • Der Anwender kann vorzugsweise das untersetzende Getriebe 22 mit einem Wahlschalter 24 betätigen. Der Anwender erkennt beispielsweise an einem sich schlagartig verringerndem Bohrfortschritt, dass ein Armierungseisen bearbeitet, bzw. bei einem sich schlagartig erhöhenden Bohrfortschritt, dass wieder mineralisches Material bearbeitet wird. Der Wahlschalter 24 hat wenigstens zwei Schaltstellungen. Eine erste Schaltstellung ist für den überlagert bohrenden und meißelnden Abbau von mineralischen Material; eine zweite Schaltstellung ist für den überlagert bohrenden und meißelnden Abbau von eisenhaltigem Material. In der ersten Schaltstellung wird das untersetzende Getriebe 22 in die erste Untersetzung und in der zweiten Schaltstellung wird das untersetzende Getriebe 22 in die zweite Untersetzung umgeschaltet. Die Schlagzahl des pneumatischen Schlagwerks 5 ist in beiden Schaltstellungen gleich oder näherungsweise gleich, vorzugsweise arbeitet das Schlagwerk 5 in beiden Schaltstellungen mit der höchsten Effizienz oder höchsten Abbauleistung. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Laufrichtung der Spindel 13 in der zweiten Schaltstellung auf einen Linkslauf gestellt, um den Abtransport des Bohrguts zu verringern.
  • Fig. 1 illustriert ein beispielhaftes untersetzendes (Schalt-) Getriebe 22 in der Form eines Stirnradgetriebes. Auf einer antreibenden Welle sind zwei Ritzel 25 mit unterschiedlichem Durchmesser befestigt; auf einer abtreibenden Welle sind zwei Zahnräder 26 gelagert. Die Zahnräder sind beispielweise dauerhaft in Eingriff mit einem der beiden Ritzel. Ein Ziehkeil 27 koppelt jeweils eines der Zahnräder an die abtreibende Welle an. Der Ziehkeil kann gleichermaßen an der antreibenden Welle angeordnet sein. Ferner kann ein Schalten des Getriebes 22 durch ein axiales Verschieben der Ritzel oder Zahnräder erfolgen. Das Getriebe kann ebenso durch ein Planetengetriebe realisiert sein. Zwei der Komponenten aus Hohlrad, Planetenträger und Sonnenrad sind mit der antreibenden Welle und der abtreibenden Welle verbunden. Eine schaltbare Bremse lässt verbleibende dritte Komponente je nach Schaltstellung frei drehen oder hemmt deren Drehung.
  • Eine Stelleinrichtung 28 kann das Getriebe 22 manuell umschalten. Die Stelleinrichtung 28 enthält beispielsweise den Wahlschalter 24. Ein mechanisches Gestänge überträgt die Stellung des Wahlschalters 24 auf das Getriebe 22. Die Stelleinrichtung 28 kann alternativ das Getriebe 22 mittels eines Aktor 29 schalten. Der Aktor 29 kann elektromagnetisch, piezoelektrisch, hydraulisch, pneumatisch etc. ausgebildet sein. Der Aktor 29 betätigt den Ziehkeil 27, verschiebt die Ritzel oder Zahnräder, oder aktiviert die Bremse. Die Stelleinrichtung 28 kann das Getriebe 22 automatisch schalten. Ein Sensor 30 erkennt die geeignete Untersetzung für das Getriebe 22 und schaltet das Getriebe 22 mit dem Aktor 29.
  • Der Bohrhammer 1 kann automatisch den Untergrund erkennen, auf welchen der Bohrer 4 aufschlägt. Die Schläge des Bohrers 4 auf das mineralische Gestein sind stärker gedämpft als die Schläge des Bohrers 4 auf die eisenhaltigen Armierungseisen. Der Bohrer 4 und der Bohrhammer 1 erfahren somit eine andere rückwirkende Kraft bei den beiden Materialien. Die Vibrationen in dem Bohrhammer 1 sind bei einem eisenhaltigen Material deutlich höher als bei dem Gestein.
  • Der beispielhafte Bohrhammer 1 hat den Sensor 30 zum Erfasssen von Vibrationen. Der Sensor 30 ist vorzugsweise starr mit dem Schlagwerk 5 oder dem Maschinengehäuse 10 verbunden. Ein beispielhafter Sensor 30 hat einen freischwingenden Arm, auf dem ein piezoelektrischer Polymerfilm aufgebracht ist. Der Arm erzeugt angeregt durch die Schwingungen ein elektrisches Signal, welches der Sensor 30 auswertet. Der Sensor 30 kann ein Beschleunigungssensor sein, welche als Maß für Vibrationen Beschleunigungswerte ausgibt. Der Sensor kann ebenso ein Mikrophon sein, vorzugsweise zum Erfassen von Geräuschen im Infraschall.
  • Der Sensor 30 vergleicht die Vibrationen mit einem Schwellwert. Ein Überschreiten des Schwellwerts wird einem Bohren von eisenhaltigem Material und ein Unterschreiten des Schwellwerts wird einem Bohren von mineralischem Material zugeordnet. Der Schwellwert hängt von der Schlagleistung des Schlagwerks 5 ab und kann durch Versuchsreihen ermittelt werden. Der Sensor 30 oder ein Mikroprozessor 31 kann die Auswertung der Vibrationen vornehmen. Der Schwellwert kann in dem Mikroprozessor 31 hinterlegt sein. Anstelle des einfachen Vergleichs mit einem Schwellwert kann anhand eines komplexeren Fingerabdrucks das Bohrern 4 von Gestein von dem Bohren von eisenhaltigem Material diskriminiert werden. Die Vibrationen können in ein oder mehreren Frequenzbändern ermittelt werden. Ein Frequenzband hat beispielsweise die Schlagzahl als mittlere Frequenz und beispielsweise eine Bandbreite von maximal der Hälfte der Schlagzahl. Ebenso kann die erste harmonische Frequenz der Schlagzahl als mittlere Frequenz eines Frequenzbands sein.
  • Der Bohrhammer 1 schaltet automatisch das untersetzende Getriebe 22 in Abhängigkeit des von dem Sensor 30 erkannten Materials. Insbesondere, ist eine schnelle Reduktion der Drehzahl erwünscht, wenn der Bohrer 4 auf ein Armierungseisen trifft. Andernfalls kann der Bohrer 4 noch das Bohrgut vollständig aus dem Bohrloch fördern. Der Sensor 30 übermittelt ein entsprechendes Steuersignal an den Aktor 29.
  • Der Abtransport des Bohrguts aus dem Bohrloch kann auch Ändern der Drehrichtung des Bohrers 4 unterbunden werden. Aufgrund der rechtsläufigen Händigkeit der Bohrerwendel fördern die Bohrer 4 das Bohrgut nur bei einem Rechtslauf des Werkzeughalters 2 aus dem Bohrloch. Das Bearbeiten des Armierungseisens kann anstelle oder zusätzlich zu einer reduzierten Drehzahl mit einem Linkslauf des Werkzeughalters 2 erfolgen. Der Wechsel der Drehrichtung kann beispielsweise durch den Elektromotor 8 erfolgen, da Schlagwerk 5 im Wesentlichen unabhängig von der Drehrichtung des Elektromotors 8 arbeitet.
  • Das Getriebe 22 hat keinen Einfluss auf die Drehzahl des Exzenter 19 bzw. der Bewegung des Erregers 14. Der Antriebsstrang 21 verzweigt sich in einen ersten Teilstrang 20 für das pneumatische Schlagwerk 5 und in einen zweiten Teilstrang 32 für die Spindel 13. Das Getriebe 22 ist in dem zweiten Teilstrang 32 angeordnet.

Claims (12)

  1. Steuerungsverfahren für eine bohrmeißelnde Handwerkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Untergrunds mittels eines Bohrers (4), wobei die Handwerkzeugmaschine einen Werkzeughalter (2) zum Haltern eines Bohrers (4) auf einer Arbeitsachse (3), einen Drehantrieb (7) zum Drehen des Werkzeughalters (2) um die Arbeitsachse (3) und ein Schlagwerk (5) zum Ausüben von Schlägen auf den Bohrer (4) aufweist, mit den Schritten:
    Überlagern eines periodischen Schlagens auf den Bohrer (4) mit einer Schlagzahl und eines Drehens des Werkzeughalters (2) mit einer Drehzahl in einer Drehrichtung,
    Ermitteln eines Materials des von dem Bohrer (4) bearbeiteten Untergrunds mittels eines Sensors (30),
    Einstellen der Drehzahl und/oder Drehrichtung basierend auf dem ermittelten Materials, wobei bei einem eisenbasierten Material die Drehzahl auf einen ersten Wert und eine erste Drehrichtung eingestellt werden, bei einem mineralischen Material die Drehzahl auf einen zweiten Wert und eine zweite Drehrichtung eingestellt werden und wobei der erste Wert geringer als der zweite Wert ist und/oder die erste Drehrichtung linksläufig und die zweite Drehrichtung rechtsläufig ist.
  2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlagwerk mit einer von dem ermittelten Material unabhängigen Schlagzahl auf den Bohrer (4) schlägt.
  3. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagzahl bei eisenbasiertem Material und bei mineralischem Material sich um weniger als 20% unterscheidet.
  4. Steuerungsverfahren nach Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetzwinkel des Werkzeughalters (2) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlägen bei der ersten Drehzahl zwischen 1 Grad und 10 Grad und bei der zweiten Drehzahl größer 30 Grad ist.
  5. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (30) Vibrationen der Handwerkzeugmaschine erfasst und das Material basierend auf charakteristischen Signaturen der Vibrationen beim bohrmeißelnden Bearbeiten von eisenhaltigen Material und bohrmeißelnden Bearbeiten von mineralischen Material ermittelt wird.
  6. Steuerungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude der Vibrationen mit einem Schwellwert verglichen werden und ein Unterschreiten des Schwellwerts mit dem mineralischen Material und ein Überschreiten des Schwellwerts mit dem eisenbasierten Material assoziiert wird.
  7. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein untersetzendes Getriebe (22) des Drehantriebs (7) ansprechend auf eine ermittelte Änderung des Materials zum Einstellen der Drehzahl geschalten wird.
  8. Handwerkzeugmaschine (1) mit
    einem Werkzeughalter (2) zum Haltern eines bohrmeißelnden Bohrers (4) auf einer Arbeitsachse (3),
    einem Elektromotor (8),
    einem Schlagwerk (5), das einen längs der Arbeitsachse (3) mit einer Schlagzahl bewegten Schläger (15) aufweist,
    einem Drehantrieb (7), der den Werkzeughalter (2) mit einer Drehzahl in einer Drehrichtung drehend antreibt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    einer Stelleinrichtung (28) zum Einstellen der Drehzahl und/oder Drehrichtung des Drehantriebs (7) unabhängig von der Schlagzahl des Schlagwerks (5).
  9. Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Sensor (30) zum Ermitteln eines Materials des von dem Bohrer (4) bearbeiteten Untergrunds, wobei mittels der Stelleinrichtung (28) ansprechend auf das von dem Sensor (30) ermittelte Material bei einem eisenbasierten Material die Drehzahl auf einen ersten Wert und eine erste Drehrichtung einstellt ist, bei einem mineralischen Material die Drehzahl auf einen zweiten Wert und eine zweite Drehrichtung einstellt ist und wobei der erste Wert geringer als der zweite Wert ist und/oder die erste Drehrichtung linksläufig und die zweite Drehrichtung rechtsläufig ist.
  10. Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (28) ein in dem Drehantrieb (7) angeordnetes, untersetzendes Getriebe (22) mit einer ersten Untersetzung und einer zweiten Untersetzung und einen manuell betätigbaren Wahlschalter (24) oder einen Aktor (29) zum Umschalten des Getriebes (22) zwischen der ersten Untersetzung und der zweiten Untersetzung aufweist.
  11. Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (30) einen Beschleunigungssensor zum Erfassen von Vibrationen beinhaltet.
  12. Handwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlagwerk (5) einen von dem Elektromotor (8) zwangsbewegten Erreger (14) und an den Erreger (14) über eine Luftfeder angekoppelten Schläger (15) aufweist.
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