EP4351839A1 - Werkzeugmaschine und verfahren zum betrieb einer werkzeugmaschine - Google Patents

Werkzeugmaschine und verfahren zum betrieb einer werkzeugmaschine

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EP4351839A1
EP4351839A1 EP22730249.4A EP22730249A EP4351839A1 EP 4351839 A1 EP4351839 A1 EP 4351839A1 EP 22730249 A EP22730249 A EP 22730249A EP 4351839 A1 EP4351839 A1 EP 4351839A1
Authority
EP
European Patent Office
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machine tool
motor
tool
range
speed
Prior art date
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Application number
EP22730249.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP4351839B1 (de
Inventor
Michael Wierer
Manuel Gut
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP4351839A1 publication Critical patent/EP4351839A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4351839B1 publication Critical patent/EP4351839B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for
    • B25F5/001—Gearings, speed selectors, clutches or the like specially adapted for rotary tools
    • 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
    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for

Definitions

  • Machine tool and method for operating a machine tool
  • the invention relates to a machine tool with a tool and a motor, the motor of the machine tool being operated in a speed range from 2,000 to 30,000 rpm and with an inertia of the motor in a range from 20-10 6 to 750-10 6 kg-m 2 lies.
  • the invention relates to a method for operating a machine tool that is operated in a speed range of 2,000 to 30,000 rpm, the inertia of the motor being in a range of 20-10 6 to 750-10 6 kg-m 2 .
  • the motor parameters "speed” and “inertia” are selected in particular so that a maximum torque in a gear of the machine tool is always below a specified upper limit.
  • the invention enables particularly productive work with the machine tool, with tests having shown that the service intervals can advantageously be extended by omitting the mechanical slip clutch.
  • hammer drills chisels, cutters or Win kelschleifer
  • screwing devices in each of which a tool is driven by a motor.
  • a power supply can be provided via a mains connection or with batteries or accumulators (“accumulators”).
  • Torque peaks of this kind can be extraordinarily high, particularly in the case of core drilling devices with which cylindrical cores can be cut out of a subsoil. This is due in particular to the torsional rigidity of the drill bit, which is the tool used in a core drill.
  • the object is achieved in a first aspect by a machine tool with a tool and a motor, the motor in a speed range of 2,000 to 30,000 rpm is operable, with an inertia of the motor being in a range of 20-10 6 to 750-10 6 kg-m 2 .
  • the abbreviation rpm stands for the unit rounds per minutes, ie for the number of revolutions per minute.
  • the inventors have recognized that the magnitude of the torque peaks that occur when the tool of the machine tool jams or blocks depends on the inertia conditions within the machine tool.
  • the invention is based on the thought that the level of the maximum torque can be adjusted and limited by skillful selection of engine parameters such that the maximum torque does not exceed a predetermined upper limit value.
  • the upper limit value represents a maximum value for the torque that can be achieved by the machine tool or its motor.
  • the maximum torque in the drive train of the machine tool is reached in particular when the tool of the machine tool is jammed or blocked.
  • the high torque values that then occur are preferably referred to as “torque peaks” within the meaning of the invention.
  • torque peaks within the meaning of the invention.
  • the inventors have recognized that the maximum torque depends on the inertia ratios between the machine tool and its motor, as well as on the stalling speed of the tool and on the rigidity in the drive train of the machine tool.
  • the maximum torque that occurs can be limited and kept below an upper limit value if the machine tool is operated in a motor speed range of 2,000 to 30,000 rpm and the inertia of the motor of the machine tool is in a range of 20-10 6 to 750-10- 6 kg-m 2 lies.
  • the invention consists in particular in specifying the specified parameter ranges of motor speed and motor inertia, so that the maximum torque of the motor of the machine tool always remains below a specified upper limit. This makes it possible for the user of the machine tool to operate the machine tool in a particularly safe manner.
  • the time in which a jammed or blocked tool of a machine tool comes to a standstill is usually very short.
  • the corresponding period of time can be in the range of 5 milliseconds (ms), for example.
  • the machine tool preferably continues to rotate at a predetermined initial speed. This movement is perceived by the user of the machine tool as a deflection of the machine tool.
  • the proposed machine tool can in particular be a core drilling device.
  • the tool of the machine tool is then preferably designed as a drill bit.
  • the core bit is used to cut cylindrical cores out of solid ground.
  • the proposed machine tool can also be, for example, a hammer drill or drill/screwdriver.
  • a range for the motor inertia is described, which also allows slip clutch-free operation of the machine tool in the speed range that is also specified.
  • the invention makes it possible to dispense with a mechanical slip clutch, so that the machine tool can be manufactured more cost-effectively and made more compact. This advantageously leads to particularly convenient and simplified handling of the machine tool.
  • by operating the machine tool in the engine speed range from 2,000 to 30,000 rpm and in the inertia range from 20-10 6 to 750-10 6 kg m 2 a productivity-enhanced and low-maintenance machine tool with longer service intervals can be provided.
  • motor inertia is understood as the mass moment of inertia of the motor, in particular as the mass moment of inertia of the rotating components of the motor about the axis of rotation of the motor shaft.
  • the rotating components of the motor which preferably rotate about the axis of rotation of the motor shaft, are preferably the rotor of the motor.
  • inertia of the machine tool is preferably understood as the mass moment of inertia of the machine tool, with the rotating components of the machine tool preferably rotating about the axis of rotation of the tool.
  • the upper limit value for the torque is in a range from 500 to 1,500 Nm, preferably in a range from 700 to 1,200 Nm, particularly preferably in a range from 850 to 950 Nm and most preferably at 900 Nm. It is preferred within the meaning of the invention that the level of the permitted maximum torque values is based on the robustness of the transmission of the machine tool. The inventors have recognized that the tangential component of the acceleration of the side handle of the machine tool also plays a role in the maximum torque. In the context of this invention, this tangential component of the acceleration is referred to as the so-called “level of pain” (LOP).
  • LOP level of pain
  • this acceleration component is used as a measure of the ease of use of the machine tool in the event of the tool of the machine tool becoming blocked.
  • the inventors have recognized that the pain measure with is related to the maximum torque or its torque peaks. This connection results in particular from the inertia of the machine tool. There is therefore a connection between the maximum permissible speed and the torque peaks within the machine tool. Limiting the torque to values below an upper limit value therefore advantageously also limits the degree of pain and improves the ease of use of the machine tool compared to conventional machine tools, as are known from the prior art.
  • the machine tool has a gear with a transmission ratio.
  • the gear ratio results from the motor characteristic, i.e. the characteristic of the motor of the machine tool.
  • the motor characteristic describes the lowest speed value at which the motor of the machine tool can provide the required power.
  • the gear ratio is also reflected in particular in the time lag between the standstill of the tool and the standstill of the motor of the machine tool when the tool of the machine tool jams or blocks. For example, while the tool stall time is in the range of 5 ms, the machine tool motor stall time may be in the range of 50 ms.
  • the subject matter of the present invention is, in particular, the processes during the periods of time mentioned after the tool of the machine tool has jammed. These time periods are referred to as the second and third time periods in FIG.
  • the degree of pain, the ease of use and the maximum torque can depend on the engine parameters speed, rotor inertia and/or peak torque.
  • the inertia of the machine tool is in a range from 30,000-10 6 to 70,000-10 6 kg-m 2 , preferably in a range from 40,000-10 6 to 60,000-10 6 kg-m 2 , more preferably in a range from 45,000-10 6 to 55,000-10 6 kg-m 2 and most preferably at 50,000-10 6 kg-m 2 .
  • the values mentioned for the inertia of the machine tool are preferably used as input variables for determining the motor parameters speed and motor inertia.
  • the machine tool can have a spindle, with which a rotation of the motor is transmitted to the tool of the machine tool.
  • the speed of the spindle can be in a range from 1000 to 1500 rpm, preferably 1250 to 1350 rpm and particularly preferably 1300 rpm. It is preferred within the meaning of the invention that the speed of the spindle corresponds to the speed of the tool of the proposed machine tool.
  • the tool of the machine tool preferably rotates at a speed in a range from 1,000 to 1,500 rpm, preferably in a range from 1,250 to 1,350 rpm and particularly preferably at a speed of approx. 1,300 rpm.
  • the speed of the spindle or The speed of the tool of the machine tool is coupled to the speed of the engine via the transmission ratio in the gearbox, with the transmission ratio playing a major role in the effective moment of inertia.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for operating a machine tool.
  • the machine tool has a tool and a motor, with the motor of the machine tool being operated in a speed range of 2,000 to 30,000 rpm and with an inertia of the motor in a range of 20-10 6 to 750-10 6 kg m 2 .
  • the definitions, technical effects and advantages described for the proposed machine tool apply analogously to the proposed operating method.
  • FIG. 1 shows exemplary curves of the speed of the motor, the speed of the tool, the torque and the speed of the device versus time t.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of a machine tool, in particular a core drilling device
  • the first period of time I. relates to the normal operation of the machine tool (10), during which work is carried out with the machine tool (10).
  • the values (1-4) shown in FIG. 1 are essentially constant, with such an approximately constant profile of the values (1-4) not excluding fluctuations and deviations from a mean value.
  • the machine tool (10) is a core drill, for example cylindrical drill cores can be cut out of solid ground with the drill bit (11).
  • the drill bit is driven as a tool (11) of the machine tool (10) by a motor (12) of the machine tool (10).
  • the movement from the motor (12) to the tool (11) can be transmitted by means of a spindle (14).
  • the machine tool (10) can also include a gear (13).
  • the core drilling device (10) is attached to a drill stand, and the invention can also be used in particular in hand-held machine tools.
  • the second period of time II begins with the blocking of the tool (11) of the machine tool (10).
  • the start of the blocking of the tool (11) of the machine tool (10) is shown in FIG. 1 with the first dashed vertical straight line.
  • the speeds of motor (1) and tool (2) fall, while the torque (3) rises sharply.
  • the second period of time II lasts for example 5 ms.
  • the end of the second time span ne II is determined by the fact that the tool (11) of the machine tool (10) comes to a standstill.
  • the motor (12) of the machine tool (10) requires more time to be completely braked, the standstill of the motor (12) of the machine tool (10) marking the end of the third period of time III. determines.
  • the time lag between standstill of the tool (11) and the motor (12) is determined by the gear ratio of the transmission (13) of the machine tool (10).
  • the torque (3) assumes its highest value (5), which at the same time represents the upper limit (5) of the torque (3).
  • This upper limit (5) of the torque (3) is indicated in FIG. 1 by the block arrow pointing upwards at the top right of FIG. Also in the middle of the second period of time II.
  • a movement or deflection (4) of the machine tool (10) itself can occur. In the past, this deflection has led to injuries to the arms, shoulders or wrists of users of the machine tool (10), which is why it is a concern of the present invention to minimize this deflection (4).
  • the machine tool (10) or its drive begins to brake. This falls in the third period III. the torque (3) decreases significantly.
  • the transition between the second time span II. and the third time span III. is shown in Fig. 1 with the second dashed vertical straight line.
  • the speed (1) of the motor (12) of the machine tool (10) also falls in the third period III., the drop in motor speed (1) occurring approximately linearly until the motor (12) at the end of the third period III. has come to a complete standstill.
  • the deflection (4) of the machine tool (10) is in the third time period III. stopped.
  • the third period III. can last for example 50 ms. reference list

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug und einem Motor, wobei der Motor der Werkzeugmaschine in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20.10-6 bis 750.1 0-6 kg. M 2 liegt. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb dieser Werkzeugmaschine. Durch die Auswahl und Angabe eines Satzes von Parametern, die Eigenschaften des Motors der Werkzeugmaschine beschreiben, kann die Werkzeugmaschine so gestaltet und betrieben werden, dass auf eine mechanische Rutschkupplung verzichtet werden kann. Die Motorparameter "Drehzahl" und "Trägheit" sind insbesondere so ausgewählt, dass ein maximales Drehmoment in einem Getriebe der Werkzeugmaschine stets unterhalb einer festgelegten oberen Grenze liegt. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung ein besonders produktives Arbeiten mit der Werkzeugmaschine, wobei Tests gezeigt haben, dass vorteilhafterweise die Serviceintervalle durch das Weglassen der mechanischen Rutschkupplung verlängert werden können.

Description

Hilti Aktiengesellschaft in Schaan
Fürstentum Liechtenstein
Werkzeugmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug und einem Motor, wobei der Motor der Werkzeugmaschine in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20-106 bis 750-106 kg-m2 liegt. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine, die in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird, wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20-106 bis 750-106 kg-m2 liegt. Durch die Auswahl und Angabe eines Satzes von Parametern, die Eigenschaften des Motors der Werkzeugmaschine beschrei ben, kann die Werkzeugmaschine so gestaltet und betrieben werden, dass auf eine mechani sche Rutschkupplung verzichtet werden kann. Die Motorparameter „Drehzahl“ und „Trägheit“ sind insbesondere so ausgewählt, dass ein maximales Drehmoment in einem Getriebe der Werkzeugmaschine stets unterhalb einer festgelegten oberen Grenze liegt. Darüber hinaus er möglicht die Erfindung ein besonders produktives Arbeiten mit der Werkzeugmaschine, wobei Tests gezeigt haben, dass vorteilhafterweise die Serviceintervalle durch das Weglassen der mechanischen Rutschkupplung verlängert werden können.
Hintergrund der Erfindung:
Im Stand der Technik sind Werkzeugmaschinen bekannt, mit denen unterschiedliche Arbeiten durchgeführt werden können. Beispielsweise sind Bohrhämmer, Meißelgeräte, Trenn- oder Win kelschleifer, Schraubgeräte oder Kembohrgeräte bekannt, bei denen jeweils ein Werkzeug durch einen Motor angetrieben wird. Eine Energieversorgung kann über einen Netzanschluss oder mit Batterien oder Akkumulatoren („Akkus“) bereitgestellt werden.
Bei Geräten, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, soll teilweise versucht werden, ein maximales Drehmoment im Antriebsstrang zu begrenzen, wenn das Gerät bzw. sein Werkzeug blockiert. Dies insbesondere deshalb, um den Nutzer des Geräts zu schützen und um zu verhin dern, dass ein Arm, eine Schulter oder ein Handgelenk des Nutzers verletzt wird, wenn sich das Gerät im Falle der Blockade seines Werkzeugs weiterdreht. Bisher werden mechanische Rutschkupplungen eingesetzt, um eine solche Begrenzung des maximalen Drehmoments und der Auslenkung der Werkzeugmaschine herbeizuführen und den Nutzer der Werkzeugmaschine vor zu hohen Belastungen zu schützen. Allerdings sind solche mechanischen Rutschkupplun- gen kostenintensiv. Darüber hinaus sind mechanische Rutschkupplungen wartungsintensiv und machen kurze Serviceintervalle erforderlich. Des Weiteren werden bei einigen Rutschkupplun gen hohe Auslösegeschwindigkeiten beobachtet, was sich nachteilig auf die Produktivität bei der Arbeit mit der Werkzeugmaschine auswirken kann.
Zum Schutze des Nutzers sind daher im Stand der Technik mechatronische Lösungen vorge schlagen worden, mit denen insbesondere die Rückwirkung des Geräts auf den Nutzer begrenzt werden kann. Keine befriedigenden Lösungen gibt es aber für die Begrenzung der kurzfristig im Antriebsstrang auftretenden Spitzendrehmomente, wenn die Werkzeugmaschine bzw. ihr Werk zeug blockiert. Das führt dazu, dass aktuell im Markt befindliche Werkzeugmaschinen und ins besondere ihre mechanischen Komponenten sehr robust ausgelegt sein müssen, um die extre men Belastungen auszuhalten, die mit den Drehmomentspitzen im Falle einer Blockade oder eines Verklemmens des Werkzeugs auftreten können. Damit ist die Mechanik von solchen kon ventionellen Werkzeugmaschinen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, für den größten Teil der Anwendungsfälle überdimensioniert. Insbesondere bei Kernbohrgeräten, mit denen zylinderförmige Bohrkerne aus einem Untergrund geschnitten werden können, können solche Drehmomentspitzen außerordentlich hoch ausfallen. Dies ist insbesondere auf die Torsi on ssteifigkeit der Bohrkrone, die das Werkzeug eines Kernbohrgeräts darstellt, zurückzuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend beschriebenen Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte Werkzeugmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine bereitzustellen, bei denen eine Be grenzung der Drehmomentspitze bei Blockade oder Verklemmen des Werkzeugs ermöglicht wird. Dabei stellt es ein weiteres Anliegen der Erfindung dar, dass die Werkzeugmaschine ohne mechanische Rutschkupplung auskommen soll, wobei keine Abstriche beim Schutze des Nut zers der Werkzeugmaschine gemacht werden sollen. Darüber hinaus soll eine kompakte und leichte Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, die eine komfortable Handhabung ermöglicht und besonders wartungsarm ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Aus führungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Beschreibung der Erfindung:
Die Aufgabe wird dabei in einem ersten Aspekt durch eine Werkzeugmaschine mit einem Werk zeug und einem Motor gelöst, wobei der Motor in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betreibbar ist, wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20-106 bis 750-106 kg-m2 liegt. Die Abkürzung rpm steht für die Einheit rounds per minutes, d.h. für die Anzahl von Umdrehungen pro Minute. Die Erfinder haben erkannt, dass die Höhe der Drehmomentspitzen, die auftreten, wenn das Werkzeug der Werkzeugmaschine verklemmt oder blockiert, von den Trägheitsverhältnissen innerhalb der Werkzeugmaschine abhängt. Der Erfindung liegt der Ge danke zugrunde, dass eine Höhe des maximalen Drehmoments durch eine geschickte Wahl von Motorparametem eingestellt und so begrenzt werden kann, dass das maximale Drehmoment einen vorgegebenen oberen Grenzwert nicht überschreitet. Es ist im Sinne der Erfindung bevor zugt, dass der obere Grenzwert einen maximalen Wert für das Drehmoment darstellt, welches von der Werkzeugmaschine bzw. ihrem Motor erreicht werden kann. Dabei wird das maximale Drehmoment im Antriebsstrang der Werkzeugmaschine insbesondere dann erreicht, wenn das Werkzeug der Werkzeugmaschine verklemmt oder blockiert. Die dann auftretenden hohen Drehmomentwerte werden im Sinne der Erfindung bevorzugt als „Drehmomentspitzen“ bezeich net. Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass das maximale Drehmoment von den Träg heitsverhältnissen zwischen der Werkzeugmaschine und ihrem Motor abhängt, sowie von der Blockiergeschwindigkeit des Werkzeugs und von der Steifigkeit im Antriebsstrang der Werk zeugmaschine. Es stellt einen Grundgedanken der Erfindung dar, dass das maximal auftretende Drehmoment dadurch begrenzt und unter einem oberen Grenzwert gehalten werden kann, wenn die Werkzeugmaschine in einem Bereich der Motordrehzahl von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und die Trägheit des Motors der Werkzeugmaschine in einem Bereich von 20-106 bis 750-10-6 kg-m2 liegt.
Die Erfindung besteht insbesondere in der Angabe der genannten Parameterbereiche von Mo tordrehzahl und Motorträgheit, so dass das maximale Drehmoment des Motors der Werkzeug maschine stets unter einer festgelegten oberen Schranke bleibt. Damit kann ein für den Nutzer der Werkzeugmaschine besonders sicherer Betrieb der Werkzeugmaschine ermöglicht werden. Üblicherweise ist die Zeit, in der ein verklemmtes oder blockiertes Werkzeug einer Werkzeug maschine zum Stehen kommt, sehr kurz. Die entsprechende Zeitspanne kann beispielsweise im Bereich von 5 Millisekunden (ms) liegen. Nach dem Blockier-Ereignis dreht sich die Werkzeug maschine vorzugsweise mit einer vorgegebenen Anfangsgeschwindigkeit weiter. Diese Bewe gung wird vom Nutzer der Werkzeugmaschine als Auslenkung der Werkzeugmaschine wahrge nommen. Tests haben gezeigt, dass diese Auslenkung der Werkzeugmaschine, die in der Ver gangenheit häufig zu Verletzungen im Arm-, Schulter- und Handbereich eines Anwenders ge führt hat, mit der Erfindung erheblich verringert werden kann. Bei der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine kann es sich insbesondere um ein Kernbohrgerät handeln. Das Werkzeug der Werkzeugmaschine ist dann vorzugsweise als Bohrkrone ausgebil det. Die Bohrkrone dient dazu, zylinderförmige Bohrkerne aus einem festen Untergrund heraus zuschneiden. Bei der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine kann es sich aber beispielsweise auch um Hammerbohrgeräte oder Bohrschrauber handeln.
Insbesondere wird im Kontext der Erfindung ein Bereich für die Motorträgheit beschrieben, der im ebenfalls angegebenen Drehzahlbereich einen rutschkupplungsfreien Betrieb der Werk zeugmaschine ermöglicht. Somit kann durch die Erfindung auf eine mechanische Rutschkupp lung verzichtet werden, so dass die Werkzeugmaschine kostengünstiger hergestellt und kom pakter gestaltet werden kann. Dies führt vorteilhafterweise zu einer besonders komfortablen und erleichterten Handhabung der Werkzeugmaschine. Insbesondere kann durch den Betrieb der Werkzeugmaschine im Motordrehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm und im Trägheitsbereich von 20-106 bis 750-106 kg m2 eine produktivitätsverbesserte und wartungsarme Werkzeugma schine mit längeren Serviceintervallen bereitgestellt werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Begriff der Motorträgheit als Massenträg heitsmoment des Motors verstanden wird, insbesondere als Massenträgheitsmoment der rotie renden Bestanteile des Motors um die Drehachse der Motorwelle. Bei den rotierenden Bestan teilen des Motors, die sich vorzugsweise um die Drehachse der Motorwelle drehen, handelt es sich bevorzugt um den Rotor des Motors. Analog wird im Sinne der Erfindung der Begriff „Träg heit der Werkzeugmaschine“ bevorzugt als Massenträgheitsmoment der Werkzeugmaschine verstanden, wobei sich die rotierenden Bestandteile der Werkzeugmaschine vorzugsweise um die Drehachse des Werkzeugs drehen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der obere Grenzwert für das Drehmoment in ei nem Bereich von 500 bis 1.500 Nm liegt, bevorzugt in einem Bereich von 700 bis 1.200 Nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 850 bis 950 Nm und am meisten bevorzugt bei 900 Nm. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Höhe der erlaubten maximalen Drehmomentwerte nach der Robustheit des Getriebes der Werkzeugmaschine richtet. Die Erfin der haben erkannt, dass auch der Tangentialanteil der Beschleunigung des Seitenhandgriffs der Werkzeugmaschine für das maximale Drehmoment eine Rolle spielt. Dieser Tangentialanteil der Beschleunigung wird im Kontext dieser Erfindung als sog. „Schmerzmaß“ (level of pain, LOP) bezeichnet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass dieser Beschleunigungsanteil als Maß für den Bedienkomfort der Werkzeugmaschine im Fall der Blockade des Werkzeugs der Werkzeugmaschine verwendet wird. Die Erfinder haben erkannt, dass das Schmerzmaß mit dem maximalen Drehmoment bzw. seinen Drehmomentspitzen zusammenhängt. Dieser Zu sammenhang ergibt sich insbesondere durch die Trägheit der Werkzeugmaschine. Mithin be steht ein Zusammenhang zwischen der maximal erlaubten Drehzahl und den Drehmomentspit zen innerhalb der Werkzeugmaschine. Somit führt eine Begrenzung des Drehmoments auf Wer te unterhalb eines oberen Grenzwerts vorteilhafterweise auch zu einer Begrenzung des Schmerzmaßes und zu einem verbesserten Bedienkomfort der Werkzeugmaschine gegenüber konventionellen Werkzeugmaschinen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Werkzeugmaschine ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis aufweist. Vorzugsweise ergibt sich die Übersetzung aus der Motorkenn linie, d.h. der Kennlinie des Motors der Werkzeugmaschine. Es ist im Sinne der Erfindung be vorzugt, dass die Motorkennlinie den kleinsten Drehzahlwert beschreibt, bei der der Motor der Werkzeugmaschine die geforderte Leistung erbringen kann. Die Getriebeübersetzung zeigt sich insbesondere auch in dem zeitlichen Versatz zwischen dem Stillstand des Werkzeugs und dem Stillstand des Motors der Werkzeugmaschine, wenn das Werkzeug der Werkzeugmaschine ver klemmt oder blockiert. Während die Zeitspanne für das Stehenbleiben des Werkzeugs bei spielsweise in einem Bereich von 5 ms liegt, kann die Zeitspanne für das Stehenbleiben des Motors der Werkzeugmaschine in einem Bereich von 50 ms liegen. Gegenstand der vorliegen den Erfindung sind insbesondere die Vorgänge während der genannten Zeitspannen nach ei nem Verklemmen des Werkzeugs der Werkzeugmaschine. Diese Zeitspannen werden in Fig. 1 als zweite und dritte Zeitspanne bezeichnet.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wurde insbesondere erkannt, dass das Schmerzmaß, der Bedienkomfort, sowie das maximale Drehmoment von den Motorparametern Drehzahl, Rotor trägheit und/oder Spitzendrehmoment abhängen kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Trägheit der Werkzeugmaschine in einem Bereich von 30.000-106 bis 70.000-106 kg-m2 liegt, bevorzugt in einem Bereich von 40.000-106 bis 60.000-106 kg-m2, besonders bevorzugt in einem Bereich von 45.000-106 bis 55.000-106 kg-m2 und am meisten bevorzugt bei 50.000- 106 kg-m2. Die genannten Werte für die Trägheit der Werkzeugmaschine werden vorzugsweise als Eingangsgrößen für die Ermittlung der Motor parameter Drehzahl und Motorträgheit verwendet.
Darüber hinaus kann die Werkzeugmaschine eine Spindel aufweisen, mit der eine Drehung des Motors auf das Werkzeug der Werkzeugmaschine übertragen wird. Die Drehzahl der Spindel kann in einem Bereich von 1.000 bis 1.500 rpm liegen, bevorzugt bei 1.250 bis 1.350 rpm und besonders bevorzugt bei 1.300 rpm. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Drehzahl der Spindel der Drehzahl des Werk zeugs der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine entspricht. Das bedeutet, dass sich das Werk zeug der Werkzeugmaschine vorzugsweise mit einer Drehzahl in einem Bereich von 1.000 bis 1.500 rpm dreht, bevorzugt in einem Bereich von 1.250 bis 1.350 rpm und besonders bevorzugt mit einer Drehzahl von ca. 1.300 rpm. Die Drehzahl der Spindel bzw. die Drehzahl des Werk zeugs der Werkzeugmaschine sind über das Übersetzungsverhältnis im Getriebe mit der Dreh zahl des Motors gekoppelt, wobei das Übersetzungsverhältnis eine wesentliche Rolle für das wirksame Trägheitsmoment spielt.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugma- schine. Dabei weist die Werkzeugmaschine ein Werkzeug und einen Motor auf, wobei der Motor der Werkzeugmaschine in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20-106 bis 750-106 kg m2 liegt. Die für die vorgeschlagene Werkzeugmaschine beschriebenen Definitionen, technischen Wirkungen und Vorteile gelten für das vorgeschlagene Betriebsverfahren analog.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind ver schiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Be schreibung 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 beispielhafte Verläufe der Drehzahl des Motors, der Drehzahl des Werkzeugs, des Drehmoments und der Drehzahl des Geräts gegenüber der Zeit t Fig. 2 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Werkzeugmaschine, insbe sondere eines Kembohrgeräts
Ausführungsbeispiele und Figurenbeschreibung:
Fig. 1 zeigt beispielhafte Verläufe der Drehzahl des Motors (1), der Drehzahl des Werkzeugs (2), des Drehmoments (3) und der Drehzahl (4) der Werkzeugmaschine (10) gegenüber der Zeit t. Auf der y-Achse sind von oben nach unten Drehzahl des Motors (1), der Drehzahl des Werk zeugs (2), des Drehmoments (3) und der Drehzahl (4) der Werkzeugmaschine (10) aufgetragen, während auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen ist. Die Übersicht ist in drei Zeitbereiche aufge teilt, die mit römischen Ziffern I., II. und III. beschrieben werden. Die erste Zeitspanne I. betrifft den normalen Betrieb der Werkzeugmaschine (10), bei dem mit der Werkzeugmaschine (10) gearbeitet wird. In dieser ersten Zeitspanne I. verlaufen die in Fig. 1 dargestellten Größen (1-4) im Wesentlichen konstant, wobei ein solcher näherungsweise konstanter Verlauf der Größen (1- 4) Schwankungen und Abweichungen um einen Mittelwert nicht ausschließt.
Einzelheiten zu der Werkzeugmaschine (10) werden beispielhaft in Fig. 2 dargestellt. Wenn die Werkzeugmaschine (10) ein Kernbohrgerät ist, können beispielsweise zylinderförmige Bohrker ne mit der Bohrkrone (11) aus einem festen Untergrund herausgeschnitten werden. Dabei wird die Bohrkrone als Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) von einem Motor (12) der Werk zeugmaschine (10) angetrieben. Die Übertragung der Bewegung vom Motor (12) zum Werkzeug (11) kann mittels einer Spindel (14) erfolgen. Die Werkzeugmaschine (10) kann ferner ein Ge triebe (13) umfassen. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Kernbohrgerät (10) an einem Bohrständer befestigt, wobei die Erfindung insbesondere auch bei handgeführten Werkzeugmaschinen Anwendung finden kann.
Die zweite Zeitspanne II. beginnt mit der Blockade des Werkzeugs (11) der Werkzeugmaschine (10). Der Start der Blockade des Werkzeugs (11) der Werkzeugmaschine (10) wird in Fig. 1 mit der ersten gestrichelten, vertikal verlaufenden Gerade dargestellt. In dieser zweiten Zeitspanne II. fallen die Drehzahlen von Motor (1) und Werkzeug (2) ab, während das Drehmoment (3) stark ansteigt. Die zweite Zeitspanne II. dauert beispielsweise 5 ms. Das Ende der zweiten Zeitspan ne II. wird dadurch festgelegt, dass das Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) zum Still stand kommt. Der Motor (12) der Werkzeugmaschine (10) benötigt mehr Zeit, um vollständig abgebremst zu werden, wobei der Stillstand des Motors (12) der Werkzeugmaschine (10) das Ende der dritten Zeitspanne III. festlegt. Der zeitliche Versatz zwischen Stillstand des Werk zeugs (11) und des Motors (12) wird von dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes (13) der Werkzeugmaschine (10) bestimmt. Insgesamt kommt es im Kontext der Erfindung zu einer Im- pulsumverlagerung vom Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) auf die Werkzeugmaschine (10) selbst, wobei es ein Anliegen der Erfindung ist, dass die Impulsumverlagerung und eine Auslenkung der Werkzeugmaschine (10) so begrenzt werden, dass davon keine Gefahr für den Nutzer von der Werkzeugmaschine (10) ausgeht.
Etwa in der Mitte der zweiten Zeitspanne II. nimmt das Drehmoment (3) seinen höchsten Wert (5) an, der gleichzeitig die obere Grenze (5) des Drehmoments (3) darstellt. Diese obere Grenze (5) des Drehmoments (3) wird in Fig. 1 durch den nach oben deutenden Blockpfeil oben rechts in Fig. 1 angedeutet. Ebenfalls in der Mitte der zweiten Zeitspanne II. kann es zu einer Bewe gung bzw. Auslenkung (4) der Werkzeugmaschine (10) selbst kommen. Diese Auslenkung hat in der Vergangenheit zu Verletzungen an den Armen, Schultern oder Handgelenken von Nutzern der Werkzeugmaschine (10) geführt, weswegen es ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist, diese Auslenkung (4) zu minimieren. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass es zu einer Impulsumverlagerung vom Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) auf die Werkzeugma schine (10) selbst kommt, wobei es ein Anliegen der Erfindung ist, dass die Impulsumverlage rung und die damit verbundene Auslenkung der Werkzeugmaschine (10) so begrenzt werden, dass davon keine Gefahr für den Nutzer von der Werkzeugmaschine (10) ausgeht. Es stellt ein weiteres Anliegen der Erfindung dar, dass das Drehmoment (3) stets unter der oberen Grenze (5) für das Drehmoment (3) liegt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Motor (12) der Werkzeugmaschine (10) in einem Drehzahlbereich (1) von 2.000 bis 30.000 rpm betrie ben wird und eine Trägheit des Motors (12) der Werkzeugmaschine (10) in einem Bereich von 20-10-6 bis 750-10-6 kg m2 liegt.
Im Übergang zwischen der zweiten Zeitspanne II. und der dritten Zeitspanne III. beginnt die Werkzeugmaschine (10) bzw. ihr Antrieb mit dem Bremsen. Dadurch fällt in der dritten Zeit spanne III. das Drehmoment (3) stark ab. Der Übergang zwischen der zweiten Zeitspanne II. und der dritten Zeitspanne III. wird in Fig. 1 mit der zweiten gestrichelten, vertikal verlaufenden Gerade dargestellt. Auch die Drehzahl (1) des Motors (12) der Werkzeugmaschine (10) sinkt in der dritten Zeitspanne III., wobei der Abfall der Motordrehzahl (1) näherungsweise linear erfolgt, bis der Motor (12) am Ende der dritten Zeitspanne III. vollständig zum Stillstand gekommen ist. Auch die Auslenkung (4) der Werkzeugmaschine (10) wird in der dritten Zeitspanne III. gestoppt. Die dritte Zeitspanne III. kann beispielsweise 50 ms dauern. Bezugszeichenliste
1 Drehzahl des Motors
2 Drehzahl des Werkzeugs
3 Drehmoment bzw. Last
4 Drehzahl der Werkzeugmaschine
5 obere Grenze des Drehmoments
10 Werkzeugmaschine
11 Werkzeug
12 Motor
13 Getriebe
14 Spindel
I. Betrieb der Werkzeugmaschine
II. Zeitspanne, in der das Werkzeug im Blockadefall zum Stillstand kommt
III. Zeitspanne, in der der Motor im Blockadefall zum Stillstand kommt

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeugmaschine (10) mit einem Werkzeug (11) und einem Motor (12) gekennzeichnet dadurch, dass der Motor (12) in einem Drehzahlbereich (1) von 2.000 bis 30.000 rpm betreibbar ist, wobei eine Trägheit des Motors (12) in einem Bereich von 20-106 bis 750-106 kg m2 liegt.
2. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Werkzeugmaschine (10) keine mechanische Rutschkupplung aufweist.
3. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch, dass ein Drehmoment (3) des Motors (12) der Werkzeugmaschine (10) einen oberen Grenzwert (5) nicht überschreitet.
4. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 3 gekennzeichnet dadurch, dass der obere Grenzwert (5) für das Drehmoment (3) in einem Bereich von 500 bis 1.500 Nm liegt, bevorzugt in einem Bereich von 700 bis 1.200 Nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 850 bis 950 Nm und am meisten bevorzugt bei 900 Nm.
5. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Werkzeugmaschine (10) ein Getriebe (13) mit einem Übersetzungsverhältnis auf weist.
6. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass eine Trägheit der Werkzeugmaschine (10) in einem Bereich von 30.000· 106 bis 70.000-106 kg-m2 liegt, bevorzugt in einem Bereich von 40.000-106 bis 60.000-106 kg-m2, besonders bevorzugt in einem Bereich von 45.000-106 bis 55.000-106 kg-m2 und am meisten bevorzugt bei 50.000-106 kg-m2.
7. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Werkzeugmaschine (10) eine Spindel (14) aufweist, mit der eine Drehung des Mo tors (12) auf das Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) übertragbar ist, wobei ei- ne Drehzahl der Spindel (14) in einem Bereich von 1.000 bis 1.500 rpm liegt, bevor zugt bei 1.250 bis 1.350 rpm und besonders bevorzugt bei 1.300 rpm.
8. Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine (10) gekennzeichnet dadurch, dass die Werkzeugmaschine (10) ein Werkzeug (11) und einen Motor (12) aufweist, wobei der Motor (12) der Werkzeugmaschine (10) in einem Drehzahlbereich (1) von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und wobei eine Trägheit des Motors (12) in einem Be reich von 20-106 bis 750-106 kg m2 liegt.
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