EP3756826A1

EP3756826A1 - Verfahren zum betreiben einer werkzeugmaschine und werkzeugmaschine

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Publication number: EP3756826A1
Application number: EP19182847.4A
Authority: EP
Inventors: Qin Liu; Bernd Gillmeier; Stefan Schmid
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2020-12-30
Also published as: US20220226974A1; EP3990224A1; WO2020260090A1; CN113811423B; EP3990224B1; CN113811423A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine mit einem Akku und einem Elektromotor, der zum rotatorischen Antrieb einer mit einem Werkzeug koppelbaren Abtriebswelle ausgeführt ist, beschrieben, wobei eine Steuereinrichtung zur Betätigung des Elektromotors und eine Einrichtung zur Ermittlung eines Parameters vorgesehen ist. Die Werkzeugmaschine ist in einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus betreibbar, wobei die Werkzeugmaschine von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt wird, wenn der von der Einrichtung ermittelte Parameter einen definierten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet. Der Elektromotor wird in dem zweiten Betriebsmodus mit einem Stromstärkeprofil angesteuert, wobei das Stromstärkeprofil erste Strompulse (10) und zweite Strompulse (11) umfasst. Die Höhe einer maximalen Stromstärke (A1) der ersten Strompulse (10) ist größer als die Höhe einer maximalen Stromstärke (A2) der zweiten Strompulse (11). Weiterhin wird eine mit einem derartigen Verfahren betreibbare Werkzeugmaschine beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieben einer Werkzeugmaschine mit einem Akku und einem Elektromotor gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher beschriebenen Art. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Werkzeugmaschine gemäß der im Patentanspruch 14 näher beschriebenen Art.
Bei aus der Praxis bekannten Werkzeugmaschinen, die mit einem von einem Akku betreibbaren regulierten Elektromotor ausgeführt sind, steigt beispielsweise beim Bohren eines Loches mit zunehmender Bohrtiefe ein an einer Abtriebswelle anliegendes Ausgangsdrehmoments und somit ein zur Bereitstellung dieses Ausgangsdrehmoments erforderlicher Motorstrom an, um das entsprechend ansteigende Ausgangsdrehmoment bereitzustellen und eine gewünschte Drehgeschwindigkeit eines Rotors des Elektromotors aufrechtzuerhalten. Wenn ein an der Ausgangswelle anliegendes Bremsmoment eine Leistungsfähigkeit des Elektromotors übersteigt, stoppt der Rotor auch bei ansteigendem Motorstrom. Der blockierte Rotor und die hohe anliegende Stromstärke können zu einer Beschädigung der Elektronik und/oder des Elektromotors führen, wenn kein Hardware- oder Softwareschutz vorliegt. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass eine Ausgangswelle beispielsweise bei einem Bohren in einem harten Untergrund schlagartig blockiert. Hierdurch steigt eine anliegende Stromstärke schlagartig an.
Um eine Beschädigung der Werkzeugmaschine in diesen Fällen zu verhindern, ist es bekannt, mechanische Kupplungen vorzusehen, die die Abtriebswelle bei einem definierten, an der Abtriebswelle anliegenden Ausgangsdrehmoment von dem Elektromotor entkoppeln, so dass der Rotor des Elektromotors weiter rotieren kann, ohne, dass das an der Ausgangswelle anliegende Drehmoment auf den Elektromotor übertragen wird.
Allerdings ist eine mechanische Kupplung durch ein hohes Gewicht gekennzeichnet, benötigt selbst einen Bauraum und beeinflusst die Herstellkosten der Werkzeugmaschine negativ. Zudem unterliegen die mechanischen Bauteile dem Verschleiß und müssen gegebenenfalls gewartet oder ausgetauscht werden. Durch einen Verschleiß der mechanischen Kupplung kann sich nachteilhafterweise ein Auslösedrehmoment der Kupplung verändern, so dass ein maximal mögliches Auslösedrehmoment der Kupplung im Laufe des Betriebs der Kupplung abnehmen kann. Weiterhin kann es auch vorkommen, dass die mechanische Kupplung nicht in gewünschtem Umfang arbeitet.
Um diese Nachteile zu beheben sind aus der Praxis Werkzeugmaschinen mit einer elektronisch implementierten Kupplung bekannt, die durch eine entsprechende Ansteuerung des Elektromotors umgesetzt ist, wobei hierzu beispielsweise Signale des Elektromotors ermittelt und ausgewertet werden. Der Elektromotor wird nach Detektion eines Auslösefalls, beispielsweise einem an der Ausgangswelle anliegenden Drehmoments, welches einen definierten Grenzwert überschreitet oder einer schlagartigen Abbremsung der Antriebswelle größer einem definierten Grenzwert oder einer an der Ausgangswelle anliegenden Drehzahl, welche beim Anlauf wegen des blockierenden Werkzeugs in einem definierten Zeitintervall einen minimalen Grenzwert nicht erreicht, von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus überführt, in dem der Elektromotor mit Strompulsen beaufschlagt wird. Diese Strompulse geben dem Nutzer ein haptisches Feedback, das demjenigen einer Werkzeugmaschine mit einer mechanischen Kupplung nachempfunden ist und vorzugsweise gleicht. Zudem wird durch die diskontinuierlichen Strompulse ein Lösen eines blockierten, mit der Ausgangswelle gekoppelten Werkzeugs in dem Untergrund unterstützt. Wenn die Ausgangswelle wieder frei ist übersteigt das Motordrehmoment das an der Ausgangswelle anliegende Bremsmoment, die Drehgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors steigt und der Elektromotor wird wieder in den ersten Betriebszustand überführt.
Das Betreiben des Elektromotors in dem zweiten Betriebszustand ist nachteilhafterweise sehr stromintensiv und führt zu einer schnellen Abnahme des Ladestandes des Akkus und kann zu einer unerwünschten Erhitzung des Elektromotors bei nicht ausreichender Kühlung führen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine und eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, wobei die Werkzeugmaschine dem Nutzer in dem zweiten Betriebsmodus eine haptische Rückmeldung gibt und energieeffizient betrieben werden kann.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine gemäß des Patentanspruches 1 gelöst.
Es ist somit ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine mit einem Akku und einem Elektromotor vorgesehen, wobei der Elektromotor zum rotatorischen Antrieb einer mit einem Werkzeug koppelbaren Abtriebswelle ausgeführt ist, wobei eine Steuereinrichtung zur Betätigung des Elektromotors und eine Einrichtung zur Ermittlung eines Parameters vorgesehen ist, wobei die Werkzeugmaschine in einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, und wobei die Werkzeugmaschine von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt wird, wenn der von der Einrichtung ermittelte Parameter einen definierten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Elektromotor in dem zweiten Betriebsmodus mit einem vorzugsweise regulierten und insbesondere vorgegebenen Stromstärkeprofil bzw. Stromstärkeverlauf angesteuert wird, wobei das Stromstärkeprofil erste Strompulse und zweite Strompulse umfasst, wobei die Höhe einer maximalen Stromstärke der ersten Strompulse größer als die Höhe einer maximalen Stromstärke der zweiten Strompulse ist.
Eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Werkzeugmaschine gibt einem Nutzer beispielsweise im Fall eines Blockierens der Antriebswelle auch ohne das Vorsehen einer mechanischen Kupplung auf einfache Weise eine haptische Rückmeldung vergleichbar einer Werkzeugmaschine mit einer mechanischen Kupplung. Zudem kann eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Werkzeugmaschine im Vergleich zu einer Werkzeugmaschine, die in dem zweiten Betriebsmodus mit jeweils identischen und zum Lösen der Abtriebswelle mit hohen Strompulsen beaufschlagt wird, durch das Vorsehen der verschiedenen Strompulse mit unterschiedlichen maximalen Stromstärken vorteilhaft lange in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Wenn die Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines harten Materials vorgesehen ist, kann das mit der Abtriebswelle gekoppelte Werkzeug, beispielsweise ein Bit, ein Schrauber, ein Bohrer oder dergleichen, abrupt stehenbleiben. Bei Verwendung der Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines weichen aber auch eines harten Materials steigt mit einem Bohrfortschritt ein an der Abtriebswelle anliegendes Drehmoment an, bis dies ein zulässiges Grenzdrehmoment erreicht. Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, dass die Abtriebswelle bei einem Anlauf eine definierte Mindestdrehzahl in einem vorgegebenen Zeitintervall nicht erreicht und daher beispielsweise ein bereits zu Beginn eines Bearbeitungsvorgangs detektierter Bohrer detektiert wird. In diesen Fällen wird die Werkzeugmaschine von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt.
Das energieeffiziente Betreiben der Werkzeugmaschine in dem zweiten Betriebszustand wird durch das Vorsehen der ersten und zweiten Strompulse mit unterschiedlichen maximalen Stromstärken bedingt, wobei die ersten Strompulse mit der größeren maximalen Stromstärke vorgesehen sind, um die Abtriebswelle bzw. ein mit der Abtriebswelle gekoppeltes Werkzeug aus dem jeweiligen Untergrund zu lösen. Die zweiten Strompulse mit der kleineren maximalen Stromstärke sind dagegen vorgesehen, um dem Nutzer in dem zweiten Betriebsmodus der Werkzeugmaschine eine vergleichbare haptische Rückmeldung zu einer mit einer mechanischen Kupplung ausgeführten Werkzeugmaschine in ausgelöstem Zustand der Kupplung zu vermitteln. Es wurde festgestellt, dass hierfür geringere maximale Stromstärken ausreichen. Eine Abfolge von ersten Strompulsen und zweiten Strompulsen erfolgt dabei insbesondere anhand eines vorgegebenen Musters.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung wird der Elektromotor in dem zweiten Betriebsmodus abwechselnd mit einer definierten Anzahl erster Strompulse und einer definierten Anzahl zweiter Strompulse angesteuert, wobei sich diese Abfolge insbesondere wiederholt. Durch den definierten Ablauf wird auf einfache Weise einerseits eine gewünschte haptische Rückmeldung und andererseits ein gewünschtes, auf die Abtriebswelle übertragenes Drehmoments in energieeffizienter Weise erzielt, das beispielsweise zum Lösen eines in einem Untergrund blockierten Werkzeugs vorgesehen ist.
Als besonders vorteilhaft einerseits hinsichtlich der haptischen Rückmeldung und andererseits hinsichtlich des Stromverbrauchs hat es sich erwiesen, wenn der Elektromotor in dem zweiten Betriebsmodus abwechselnd mit einem ersten Strompuls und anschließend mehreren, insbesondere zwei bis zwanzig, vorzugsweise fünf bis 14, vorzugsweise acht bis zehn, insbesondere neun, zweiten Strompulsen angesteuert wird.
Um in dem zweiten Betriebsmodus ein gewünscht großes Drehmoment auf die Abtriebswelle übertragen zu können und gleichzeitig einen geringen Stromverbrauch zu erzielen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Elektromotor in dem zweiten Betriebsmodus derart angesteuert wird, dass eine Länge der ersten Strompulse sich von einer Länge der zweiten Strompulse unterscheidet, wobei die ersten Strompulse insbesondere länger als die zweiten Strompulse sind, und vorzugsweise im Wesentlichen doppelt so lange wie die zweiten Strompulse sind. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Erzielung einer gewünschten haptischen Rückmeldung im Vergleich zu dem ersten Strompuls kurze zweite Strompulse ausreichen, wohingegen zum Lösen des Werkzeugs längere Strompulse nützlich sind.
Es kann vorgesehen sein, dass ein zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Strompulsen insbesondere einer Länge des ersten Strompulses entspricht. Es kann vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen sämtlichen Strompulsen im Wesentlichen identisch ist.
Als besonders energieeffizient hat es sich erwiesen, wenn der Elektromotor in dem zweiten Betriebsmodus derart angesteuert wird, dass die maximale Stromstärke der ersten Strompulse zwischen 25 % und 80 % größer, besonders bevorzugt im Wesentlichen 50 % größer als die maximale Stromstärke der zweiten Strompulse ist. Das Verhältnis der maximalen Stromstärke der ersten Strompulse zur maximalen Stromstärke der zweiten Strompulse kann sich im Verlauf auch ändern.
Um auf einfache Weise zu verhindern, dass eine Spannung im Verlauf des Betreibens der Werkzeugmaschine in dem zweiten Betriebsmodus unter einen definierten Grenzwert fällt und/oder um ein besonders energieeffizientes Verfahren bereitzustellen, wird der Elektromotor bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in dem zweiten Betriebsmodus derart angesteuert, dass eine maximale Höhe des ersten Strompulses und/oder eine maximale Höhe des zweiten Strompulses in Abhängigkeit eines aktuellen Ladestatus des Akkus variiert wird und vorzugsweise abnimmt.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die maximale Höhe des ersten Strompulses und/oder die maximale Höhe des zweiten Strompulses diskret, d. h., beispielsweise stufenförmig, oder insbesondere bei einer kontinuierlichen Überwachung des Ladestatus des Akkus kontinuierlich in Abhängigkeit des Ladestatus des Akkus angepasst wird.
Wenn ein Übergang der Werkzeugmaschine von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus vorgesehen ist, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Elektromotor ausgehend von einem ersten Betriebsmodus der Werkzeugmaschine vor einem Übergang in den zweiten Betriebsmodus für eine definierte Zeitspanne mit einer Stromstärke im Wesentlichen gleich dem Wert Null beaufschlagt wird und der Elektromotor insbesondere gestoppt wird.
Um beispielsweise einen Bohrvorgang nach Lösen eines Bohrers aus dem Untergrund fortsetzen zu können, wird die Werkzeugmaschine bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus überführt, wenn ein von der Einrichtung ermitteltes, an der Abtriebswelle anliegendes Drehmoment kleiner als ein Grenzdrehmoment wird. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der Elektromotor über eine beispielsweise vorgegebene Rampe auf eine gewünschte Drehzahl beschleunigt wird.
Um den Elektromotor vor einer Beschädigung zu schützen, kann der Elektromotor gestoppt werden, wenn sich der Elektromotor über einen Zeitraum größer einem vordefinierten Grenzwert in dem zweiten Betriebsmodus befindet. Die Werkzeugmaschine wird hierdurch insbesondere vor einer Beschädigung durch Überhitzung von Komponenten der Werkzeugmaschine, insbesondere einer Elektronik, eines Rotors oder von Windungen des Elektromotors geschützt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Einrichtung zur Ermittlung eines an der Abtriebswelle anliegenden Drehmoments ausgeführt, wobei die Werkzeugmaschine in dem ersten Betriebsmodus betrieben wird, wenn das von der Einrichtung ermittelte Drehmoment kleiner als ein definiertes Grenzdrehmoment ist, und wobei die Steuereinrichtung die Werkzeugmaschine von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt, wenn das von der Einrichtung ermittelte Drehmoment das definierte Grenzdrehmoment überschreitet. Das ermittelte Drehmoment entspricht dabei dem von der Einrichtung ermittelten Parameter. Die Einrichtung kann als in der Steuereinrichtung hinterlegter Algorithmus ausgeführt sein, der anhand von Eingangsparametern, wie beispielsweise einer Motordrehzahl und einer aktuell vorliegenden Stromstärke das an der Abtriebswelle anliegende Drehmoment berechnet oder abschätzt.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Ermittlung eines Beschleunigungswertes der Abtriebswelle ausgeführt ist, wobei die Werkzeugmaschine von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt wird, wenn der ermittelte Beschleunigungswert der Abtriebswelle einen definierten negativen Beschleunigungswert überschreitet und die Abtriebswelle somit stärker als ein definierter Wert abgebremst wird. Dieser Fall kann insbesondere dann auftreten, wenn beispielsweise ein Bohrer in einem harten Untergrund blockiert. Die ermittelte Beschleunigung entspricht dabei dem von der Einrichtung ermittelten Parameter.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass der von der Einrichtung ermittelte Parameter eine Drehzahl der Antriebswelle ist, wobei die Werkzeugmaschine von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt wird, wenn eine Drehzahl einer Motorwelle oder der Abtriebswelle nach einer vorgegebenen Zeitspanne eine definierte Grenzdrehzahl nicht erreicht. Hierdurch kann insbesondere ermittelt werden, wenn beispielsweise ein mit der Abtriebswelle gekoppeltes Werkzeug bereits zu Beginn eines Bearbeitungsvorgangs in einem Untergrund blockiert ist.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin mit einer Werkzeugmaschine gemäß des Patentanspruches 14 gelöst.
Es wird daher eine Werkzeugmaschine mit einem Akku, mit einem Elektromotor, der zum rotatorischen Antrieb einer mit einem Werkzeug koppelbaren Abtriebswelle ausgeführt ist, mit einer Steuereinrichtung zur Betätigung des Elektromotors und mit einer Einrichtung zur Ermittlung eines Parameters vorgeschlagen, wobei die Werkzeugmaschine mit einem oben näher beschriebenen Verfahren betrieben wird.
Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine hat den Vorteil, dass mit ihr auf konstruktiv einfache, kostengünstige, gewichtsoptimierte und energieeffiziente Weise einem Nutzer eine vergleichbare haptische Rückmeldung wie bei einer Werkzeugmaschine mit einer mechanischen Kupplung für den Fall vermittelbar ist, dass ein an der Abtriebswelle anliegendes Bremsmoment größer als ein definiertes Grenzdrehmoment ist und die mechanische Kupplung auslöst.
Das energieeffiziente Betreiben der Werkzeugmaschine in dem zweiten Betriebszustand wird durch das Vorsehen der ersten und zweiten Strompulse mit unterschiedlichen maximalen Stromstärken bedingt, wobei die ersten Strompulse mit der größeren maximalen Stromstärke vorgesehen sind, um die Abtriebswelle bzw. das mit der Abtriebswelle gekoppelte Werkzeug aus dem jeweiligen Untergrund zu lösen. Die zweiten Strompulse mit der kleineren maximalen Stromstärke sind dagegen vorgesehen, um dem Nutzer insbesondere in diesem Zustand eine vergleichbare haptische Rückmeldung zu einer mit einer mechanischen Kupplung ausgeführten Werkzeugmaschine in ausgelöstem Zustand zu vermitteln, wobei festgestellt wurde, das hierfür geringere maximale Stromstärken ausreichen. Eine Abfolge von ersten Strompulsen und zweiten Strompulsen erfolgt dabei insbesondere anhand eines vorgegebenen Musters.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figuren, 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.
In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Es zeigen:

Fig. 1: eine stark vereinfachte Darstellung einer Werkzeugmaschine mit einem Akku, einem Elektromotor und einer Steuereinrichtung zur Betätigung des Elektromotors;
Fig. 2: ein vereinfacht gezeigtes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Werkzeugmaschine gemäß Fig. 1;
Fig. 3: vereinfachte Diagramme, bei denen einerseits eine Drehzahl eines Elektromotors und andererseits eine Stromstärke, mit der der Elektromotor beaufschlagt wird, über einem Zeitablauf dargestellt sind, wobei die Diagramme den Betrieb der Werkzeugmaschine zunächst in einem ersten Betriebsmodus, anschließend in einem zweiten Betriebsmodus und schließlich wieder in dem ersten Betriebsmodus zeigen;
Fig. 4: eine vereinfachte Ansicht eines Ausschnitts eines Stromstärkenprofils, auf das der Elektromotor in dem zweiten Betriebsmodus von einer Steuereinrichtung geregelt wird;
Fig. 5: eine vereinfachte Ansicht eines Ausschnitts eines alternativen Stromstärkenprofils, auf das der Elektromotor in dem zweiten Betriebsmodus von einer Steuereinrichtung geregelt wird; und
Fig. 6: eine vereinfachte Ansicht eines Zusammenhangs eines Ladezustands eines Ackus der Werkzeugmaschine zu einer maximalen Stromstärke eines Strompulses eines Stromstärkenprofils.

Ausführungsbeispiele:

Fig. 1 zeigt ein exemplarisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Werkzeugmaschine 1, insbesondere einem Akkuschrauber, einer Bohrmaschine oder dergleichen. Die Werkzeugmaschine 1 weist einen Akku 2 auf, der zur Stromversorgung eines Elektromotors 3 der Werkzeugmaschine 1 vorgesehen ist. Der Elektromotor 3 ist zum rotatorischen Antrieb einer Abtriebswelle 4 der Werkzeugmaschine 1 ausgeführt, wobei die Abtriebswelle 4 mit einem Werkzeug 5, beispielsweise einem Bit, einem Bohrer oder dergleichen koppelbar ist. Die Werkzeugmaschine 1 weist weiterhin eine Steuereinrichtung 6 zur Betätigung des Elektromotors 3 auf, wobei die Steuereinrichtung 6 zur geregelten Betätigung des Elektromotors 3 anhand einer Stromstärke ausgeführt ist. Weiterhin weist die Werkzeugmaschine 1 eine Einrichtung 7 zur Ermittlung eines Parameters der Werkzeugmaschine 1, insbesondere eines an der Abtriebswelle 4 anliegenden Drehmoments und/oder eines Beschleunigungswertes der Abtriebswelle 4, auf. Die Werkzeugmaschine 1 ist ohne eine mechanische Kupplung ausgeführt, so dass der Elektromotor 3 direkt gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes in Wirkverbindung mit der Abtriebswelle 4 steht.
Die Werkzeugmaschine 1 ist in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar. Im Folgenden wird hierauf näher eingegangen.
Das Verfahren beginnt mit dem Start S. In einem ersten Schritt S1 wird die Werkzeugmaschine 1 nach einer anwenderseitigen Anforderung in dem ersten Betriebsmodus, der beispielsweise einem normalen Bohrmodus entspricht, betrieben.
In einem zweiten Schritt S2 wird von der Einrichtung 7 ein definierter Betriebszustand detektiert, bei dem ein Weiterbetrieb in dem ersten Betriebsmodus beispielsweise zu einer Beschädigung des Elektromotors 3, insbesondere durch eine Überhitzung, führen kann. Hierbei wird von der Einrichtung 7 beispielsweise ein unerwünscht hohes an der Abtriebswelle 4 des Werkzeugs 5 anliegendes Bremsdrehmoment detektiert oder ermittelt, das einen vorgegebenen Schwellwert bzw. ein Grenzdrehmoment überschreitet. Dieser Fall kann beispielsweise bei der Bohrung eines Loches bei fortgeschrittener Bohrlochtiefe auftreten. Andererseits kann der definierte Betriebszustand von der Einrichtung 7 dadurch detektiert werden, dass der ermittelte Absolutwert der Beschleunigung der Abtriebswelle 4 größer einem definierten Schwellwert ist und das Werkzeug 5 somit eine definierte Abbremsung erfährt. Dieser Fall kann beispielsweise bei einem blockierenden Werkzeug 5 auftreten.
Die Einrichtung 7 kann beispielsweise als ein in der Steuereinrichtung 6 hinterlegter Algorithmus ausgeführt sein, der einen Parameter direkt oder indirekt aus anderen Eingangswerten ermittelt oder berechnet bzw. abschätzt und diesen mit einem definierten Grenzwert vergleicht. Der Parameter kann beispielsweise das an der Abtriebswelle 4 anliegende Drehmoment oder ein Beschleunigungswert der Abtriebswelle 4 sein.
Nach einer entsprechenden Detektion des definierten Betriebszustands wird der Elektromotor 3 von der Steuereinrichtung 6 im Schritt S3 auf eine Drehzahl n_mot im Wesentlichen gleich Null abgebremst.
Die Steuereinrichtung 6 überführt die Werkzeugmaschine 1 anschließend im Schritt S4 in den zweiten Betriebsmodus, der einerseits ein Lösen des Werkzeugs 5 und andererseits eine haptische Rückmeldung an den Anwender vergleichbar zu einer Werkzeugmaschine mit einer mechanischen Kupplung zum Ziel hat. Auf den zweiten Betriebsmodus wird im Folgenden näher eingegangen.
Nach insbesondere wieder gelöstem Werkzeug 5, d. h., wenn beispielsweise von der Einrichtung 7 detektiert wird, dass ein an der Abtriebswelle 4 anliegendes Drehmoment kleiner einem definierten Drehmomentwert ist, überführt die Steuereinrichtung 6 die Werkzeugmaschine 1 im Schritt S5 wieder in den ersten Betriebsmodus und es wird in Schritt S6 wiederum überprüft, ob erneut ein oben näher beschriebener definierter Betriebszustand auftritt.
Im Schritt E wird das Verfahren beispielsweise nach anwenderseitigem Wunsch beendet.
Fig. 2 zeigt einen exemplarischen Ablauf eines Bohrvorgangs, wobei in dem oberen Diagramm ein Verlauf der Motordrehzahl n_mot und in dem unteren Diagramm ein tatsächlicher Verlauf der Stromstärke A über der Zeit dargestellt ist. Der Stromstärkeverlauf entspricht dabei im Wesentlichen einem Verlauf eines an der Abtriebswelle 4 anliegenden Drehmoments.
Die Werkzeugmaschine 1 wird in einer ersten Phase P1 in dem ersten Betriebsmodus betrieben, wobei die Motordrehzahl n_mot dabei im Wesentlichen konstant einen Betriebswert n_mot1 einnimmt und die zum Betrieb des Elektromotors 3 erforderliche Stromstärke A unterhalb eines Schwellwerts A_grenz liegt. Es kann auch vorgesehen sein, dass anstelle der Stromstärke A in der Steuereinrchtung 6 ein anliegendes Lastmoment geschätzt wird.
Zu einem Zeitpunkt t1 steigt die Stromstärke A bis zu dem Schwellwert A_grenz bzw. das geschätzte Lastmoment bis zu einem Schwellwert M_grenz an. Dies ist beispielsweise dadurch bedingt, dass das Werkzeug 5 tiefer in einen Untergrund eintritt und/oder das Werkzeug 5 blockiert und in einem Untergrund feststeckt. Von der Steuereinrichtung 6 wird hierbei der definierte Betriebszustand ermittelt. Um den Elektromotor 3 vor einer Überhitzung oder einer sonstigen Beschädigung zu schützen, wird die Motordrehzahl n_mot daraufhin in einer zweiten Phase P2 bis zum Zeitpunkt t2 im Wesentlichen auf den Wert Null eingestellt.
In der folgenden dritten Phase P3 wird die Werkzeugmaschine 1 von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt, in dem die Steuereinrichtung 6 den Elektromotor 3 mit einem vordefinierten und in Fig. 4 ausschnittsweise näher ersichtlichen Stromstärkeprofil beaufschlagt.
Der Elektromotor 3 wird von der Steuereinrichtung 6 in dem zweiten Betriebsmodus anhand des ausschnittsweise in Fig. 4 gezeigten Stromstärkeprofils angesteuert bzw. auf dieses Stromstärkeprofil geregelt. Das Stromstärkeprofil weist dabei erste Strompulse 10 und zweite Strompulse 11 auf, die vorliegend als Rechteckspulse mit einer jeweils konstanten maximalen Stromstärke ausgeführt sind. Die maximale Stromstärke A1 der ersten Strompulse 10 ist dabei für alle ersten Strompulse 10 im Wesentlichen konstant, wobei die Stromstärke A1 vorliegend um etwa 50 % größer als eine maximale Stromstärke A2 der zweiten Strompulse 11 ist, die wiederum für alle zweiten Strompulse 11 im Wesentlichen konstant ist. Die ersten Strompulse 10 erstrecken sich über eine erste Zeitspanne T1, die vorliegend im Wesentlichen doppelt so lange wie eine Zeitspannte T2 der zweiten Strompulse 11 ist. Eine Zeitspanne T3 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Strompulsen 10, 11 entspricht vorliegend im Wesentlichen der Zeitspanne T1 des ersten Strompulses 10.
Bei dem Stromstärkeprofil folgen vorliegend auf einen ersten Strompulse 10 neun zweite Strompulse 11. Es hat sich herausgestellt, dass hierdurch ein günstiger Kompromiss aus einer gewünschten haptischen Rückmeldung an den Anwender, die vergleichbar zu derjenigen einer Werkzeugmaschine mit auslösender mechanischer Kupplung ist, und einen niedrigen Stromverbrauch zur Folge hat. Insbesondere durch die ersten Strompulse 10 wird dabei ein Drehmoment auf die Abtriebswelle 4 aufgebracht, das das Werkzeug 5 aus der blockierten Situation lösen soll.
Zu einem Zeitpunkt t3 in den Diagrammen gemäß Fig. 3 steigt die Motordrehzahl n_mot bis zum Zeitpunkt t4 in einer vierten Phase P4 an, wobei dies auf die Aufhebung der Blockadesituation des Werkzeugs zurückzuführen ist. Daraufhin wird die Werkzeugmaschine 1 von der Steuereinrichtung 6 ab dem Zeitpunkt t4 in einer fünften Phase P5 zurück in den ersten Betriebszustand geführt, wobei die Motordrehzahl n_mot nach einer Beschleunigungsphase zurück auf den Wert n_mot1 geführt wird.
Sollte alternativ hierzu der Betrieb der Werkzeugmaschine 1 über einen definierten Zeitraum nicht zu einem Lösen einer Blockade des Werkzeugs 5 führen, kann es vorgesehen sein, dass zur Verhinderung einer Überhitzung des Elektromotors 3 der Elektromotor 3 gestoppt wird.
In Fig. 5 ist ein alternativ ausgeführtes Stromstärkeprofil gezeigt, welches im Wesentlichen dem Stromstärkeprofil gemäß Fig. 4 mit dem Unterschied entspricht, dass eine maximale Stromstärke der ersten Strompulse 10 über einem zeitlichen Verlauf nicht konstant ist. Bei dem Stromstärkeprofil gemäß Fig. 5 nimmt die maximale Stromstärke der ersten Strompulse 10 in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Akkus 2 ab, wobei ein weiterer erster Strompulse 10' eine maximale Stromstärke A1' kleiner der maximalen Stromstärke A1 aufweist. In Fig. 6 ist exemplarisch eine Abhängigkeit der maximalen Stromstärke der ersten Strompulse 10 von dem Ladezustand des Akkus 2 gezeigt, wobei die maximale Stromstärke der ersten Strompulse 10 bei abnehmendem Ladezustand des Akkus 2 vorliegend in diskreten Werten abnimmt. Der Ladezustand des Akkus 2 ist in Fig. 5 in prozentualer Abhängigkeit von einem maximalen Ladezustand des Akkus 2 dargestellt.
Es kann alternativ hierzu auch vorgesehen sein, dass die maximale Stromstärke der ersten Strompulse 10 bei Verfügbarkeit von zeitnaher oder aktueller Information bezüglich des Ladezustands des Akkus 2 im Wesentlichen kontinuierlich abnimmt.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass die maximale Stromstärke der zweiten Strompulse 11 in Abhängigkeit von dem Ladezustand des Akkus 2 abnimmt.

Bezugszeichenliste

1: Werkzeugmaschine
2: Akku
3: Elektromotor
4: Abtriebswelle
5: Werkzeug
6: Steuereinrichtung
7: Einrichtung
10, 10': erster Strompuls
11: zweiter Strompulse
Agrenz: Schwellwert
A1, A1', A2: maximale Stromstärke
nmot: Motordrehzahl
nmot1: Betriebswert der Motordrehzahl
E, S, S1 - S6: Verfahrensschritt
P1 - P4: Phase
T1, T2, T3: Zeitspanne
t1 bis t5: Zeitpunkt

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine (1) mit einem Akku (2) und einem Elektromotor (3), der zum rotatorischen Antrieb einer mit einem Werkzeug (5) koppelbaren Abtriebswelle (4) ausgeführt ist, wobei eine Steuereinrichtung (6) zur Betätigung des Elektromotors (3) und eine Einrichtung (7) zur Ermittlung eines Parameters vorgesehen ist, wobei die Werkzeugmaschine (1) in einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, und wobei die Werkzeugmaschine (1) von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt wird, wenn der von der Einrichtung ermittelte Parameter einen definierten Schwellwert überschreitet oder unterschreitet,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (3) in dem zweiten Betriebsmodus mit einem Stromstärkeprofil angesteuert wird, wobei das Stromstärkeprofil erste Strompulse (10, 10') und zweite Strompulse (11) umfasst, und wobei die Höhe einer maximalen Stromstärke (A1, A1') der ersten Strompulse (10) größer als die Höhe einer maximalen Stromstärke (A2) der zweiten Strompulse (11) ist.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (3) in dem zweiten Betriebsmodus abwechselnd mit einer definierten Anzahl erster Strompulse (10, 10') und einer definierten Anzahl zweiter Strompulse (11) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (3) in dem zweiten Betriebsmodus abwechselnd mit einem ersten Strompuls (10, 10') und anschließend mehreren, insbesondere zwei bis zwanzig, vorzugsweise fünf bis 14, vorzugsweise acht bis zehn, zweiten Strompulsen (11) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (3) in dem zweiten Betriebsmodus derart angesteuert wird, dass eine Länge (T1) der ersten Strompulse (10, 10') sich von einer Länge (T2) der zweiten Strompulse (11) unterscheidet, wobei die ersten Strompulse (10, 10') insbesondere länger als die zweiten Strompulse (11) sind, und vorzugsweise im Wesentlichen doppelt so lange wie die zweiten Strompulse (11) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (3) in dem zweiten Betriebsmodus derart angesteuert wird, dass die maximale Stromstärke (A1, A1') der ersten Strompulse (10, 10') zwischen 25 % und 80 % größer, besonders bevorzugt im Wesentlichen 50 % größer als die maximale Stromstärke (A2) der zweiten Strompulse (11) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (3) in dem zweiten Betriebsmodus derart angesteuert wird, dass eine Höhe einer maximalen Stromstärke (A1, A1') des ersten Strompulses (10, 10') und/oder eine Höhe einer maximalen Stromstärke (A2) des zweiten Strompulses (11) in Abhängigkeit eines aktuellen Ladestatus des Akkus (2) variiert.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Höhe einer maximalen Stromstärke (A1, A1') des ersten Strompulses (10, 10') und/oder eine Höhe einer maximalen Stromstärke (A2) des zweiten Strompulses (11) diskret oder kontinuierlich in Abhängigkeit des Ladestatus des Akkus (2) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (3) ausgehend von einem ersten Betriebsmodus der Werkzeugmaschine (1) vor einem Übergang in den zweiten Betriebsmodus für eine definierte Zeitspanne (P2) mit einer Stromstärke (A) im Wesentlichen gleich dem Wert Null beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Werkzeugmaschine (1) von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus überführt wird, wenn ein von der Einrichtung (7) ermitteltes, an der Abtriebswelle (4) anliegendes Drehmoment kleiner als ein Grenzdrehmoment wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (3) gestoppt wird, wenn sich die Werkzeugmaschine (1) über einen Zeitraum größer einem vordefinierten Grenzwert in dem zweiten Betriebsmodus befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der von der Einrichtung (7) ermittelte Parameter ein an der Abtriebswelle (4) anliegendes Drehmoments ist, wobei die Werkzeugmaschine in dem ersten Betriebsmodus betrieben wird, wenn das von der Einrichtung (7) ermittelte Drehmoment kleiner als ein definiertes Grenzdrehmoment ist, und wobei die Werkzeugmaschine (1) von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt wird, wenn das von der Einrichtung (7) ermittelte Drehmoment das definierte Grenzdrehmoment überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der von der Einrichtung (7) ermittelte Parameter ein Beschleunigungswert der Abtriebswelle (4) ist, wobei die Werkzeugmaschine (1) von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt wird, wenn die ermittelte Beschleunigung einen definierten negative Beschleunigungswert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der von der Einrichtung (7) ermittelte Parameter eine Drehzahl der Antriebswelle (4) ist, wobei die Werkzeugmaschine (1) von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus überführt wird, wenn eine Drehzahl nach einer vorgegebenen Zeitspanne eine definierte Grenzdrehzahl nicht erreicht.
Werkzeugmaschine (1) mit einem Akku (2), mit einem Elektromotor (3), der zum rotatorischen Antrieb einer mit einem Werkzeug (5) koppelbaren Abtriebswelle (4) ausgeführt ist, mit einer Steuereinrichtung (6) zur Betätigung des Elektromotors (3) und mit einer Einrichtung (7) zur Ermittlung eines Parameters, wobei die Werkzeugmaschine (1) mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben wird.