EP4751849A1

EP4751849A1 - Verfahren und vorrichtung zum erkennen eines schlagereignisses eines schlagdrehwerkzeugs

Info

Publication number: EP4751849A1
Application number: EP25219028.5A
Authority: EP
Inventors: Simon DENSBORN; Xiaozhu Luo
Original assignee: Adolf Wuerth GmbH and Co KG
Current assignee: Adolf Wuerth GmbH and Co KG
Priority date: 2024-11-27
Filing date: 2025-11-27
Publication date: 2026-06-03
Also published as: CN122100024A; DE102024135079A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs mit einer, vorzugsweise drehbaren, Werkzeugwelle (10), die an ihrem freien Ende mit einem Werkzeug verbunden ist, und einem Schlagwerk, das dazu konfiguriert ist, einen rotatorischen und/oder axialen Schlag auf die Werkzeugwelle (10) auszuüben. Das Verfahren hat Schritte zum Messen einer Drehposition und/oder einer Drehgeschwindigkeit eines Motorabtriebs (2, 4) eines Elektromotors (1), der die Werkzeugwelle (10) über ein das Schlagwerk antreibt; Berechnen einer Beschleunigung des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) auf der Grundlage der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1); Bestimmen von Nulldurchgängen der Beschleunigung des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) oder Bestimmen von Nulldurchgängen der Ableitung der Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors; und Erkennen des Schlagereignisses bei einem vorstehend bestimmten Nulldurchgang.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs .
Schlagschrauber sind beispielsweise aus EP 3 501 740 A1 , EP 3 501 741 A1 , EP 3 439 830 B1 und DE 10 2019 215 417 A1 bekannt.
Bei der bisherigen Schlagerkennung wurden beispielsweise nachfolgend aufgeführte Signale und Sensorik benutzt. Üblich war ein Stromsensor, durch den auf Basis des Stromverlauf eines Motor- oder eines Batteriestroms der aktuelle Arbeitszustand des Schlagschraubers kategorisiert wurde. Der Stromverlauf weist charakteristische Merkmale im schlagenden Betrieb auf. Darunter fällt ein erhöhter konstanter Anteil sowie ein mit der Schlagfrequenz pulsierender Anteil. Daneben wurden Trägheitssensoren, Beschleunigungssensoren, Gyroskope und IMU ("Inertial Measurement Units") verwendet. Dabei wurden die Beschleunigung und Geschwindigkeit beispielsweise eines Schlagschraubers sowohl in translatorischer als auch in rotatorischer Richtung erfasst, welche im schlagenden Betrieb einen mit der Schlagfrequenz pulsierenden Anteil aufweisen. Daneben wurde eine Vibrationssensorik verwendet, wobei jeder Schlag eine Vibration innerhalb der Mechanik (Körperschall) sowie der umgebenden Materie (Luft) erzeugt, die dann gemessen wurde. Daneben wurde eine Positionssensorik verwendet, wobei durch Messen einer axialen Position eines Hammers oder durch Messen einer rotatorischen Position eines Amboss Rückschlüsse auf ein Schlagereignis gezogen wurden.
Nachteilig bei derlei System sind die hohen Kosten; insbesondere entstehen durch die Nutzung dieser zusätzlicher Sensorik nicht zu vernachlässigende Material- und Produktionskosten. Insbesondere Akku-Handwerkzeuge sind sehr kostensensitiv.
Darüber hinaus war die Detektionszuverlässigkeit häufig nicht zufriedenstellend. Soll die Detektion durch die Messung des Stromverlaufs erfolgen, so ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis je nach Arbeitspunkt sehr unvorteilhaft und es kommt zu häufigen Fehlern in der Detektion. Am Beispiel der Strommessung ist erkennbar, dass das Stromsignal des Motors neben der Dynamik des Schlagwerks auch Komponenten aufweist, welche aufgrund der Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der allgemeinen Steuerung der Leistungselektronik sowie des aktuellen Batteriezustands auftreten. Als weiteres Beispiel seien die Trägheitssignale genannt. Diese umfassen, neben der direkten Anregung durch das Schlagereignis, auch extern induzierte Schwingungen und Beschleunigungen sowie alle Eigenfrequenzen des wirkenden Gesamtsystems aus Maschine, Einsatzwerkzeug, Verbrauchsmaterial und Nutzer. Die Amplitude der jeweiligen Signalkomponenten ist stark abhängig vom Einsatzfall.
Auch die Inanspruchnahme von Bauraum kann ein Problem darstellen. Jeder zusätzliche Sensor benötigt einen nicht zu unterschätzenden Bauraum. Dies widerspricht dem Ziel einer leichten und kompakten Maschine. Ein Negativbeispiel ist ein Amboss-Positionssensor, welcher die Maschine in Richtung der Motorabtriebsachse merklich verlängert.
Ferner können Nachteile in Bezug auf Produktionskomplexität und Nutzungskomplexität auftreten. Zusätzliche Komponenten, beispielsweise Sensoren, Kabel, Stecker oder Schalter, erhöhen die Komplexität der Produktion und somit auch die Anfälligkeit für Fehler im Produktionsprozess. Wird die Funktion durch ein Zusatzmodul zur Verfügung gestellt, so kann dies für den Nutzer eine zusätzliche Komplexität bei der Nutzung darstellen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schlagereignis bei einem Schlagdrehwerkzeug kostengünstig und sicher zu erkennen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs mit einer, vorzugsweise drehbaren, Werkzeugwelle, die an ihrem freien Ende mit einem Werkzeug verbunden ist, und einem Schlagwerk, das dazu konfiguriert ist, einen rotatorischen und/oder axialen Schlag auf die Werkzeugwelle auszuüben, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Messen einer Drehposition und/oder einer Drehgeschwindigkeit eines Motorabtriebs eines Elektromotors, der die Werkzeugwelle über das Schlagwerk antreibt; Berechnen einer Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors auf der Grundlage der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs des Elektromotors; Bestimmen von Nulldurchgängen der Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors oder Bestimmen von Nulldurchgängen der Ableitung der Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors; und Erkennen des Schlagereignisses bei einem vorstehend bestimmten Nulldurchgang.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs vorgesehen. Das Schlagdrehwerkzeug hat eine, vorzugsweise drehbare, Werkzeugwelle, die an ihrem freien Ende mit einem Werkzeug verbindbar ist, und ein Schlagwerk, das dazu konfiguriert ist, einen rotatorischen und/oder axialen Schlag auf die Werkzeugwelle auszuüben. Die Vorrichtung weist Folgendes auf: eine Messvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Drehposition und/oder eine Drehgeschwindigkeit eines Motorabtriebs eines Elektromotors zu messen, der die Werkzeugwelle über das Schlagwerk antreibt; eine Berechnungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors auf der Grundlage der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs des Elektromotors zu berechnen; eine Bestimmungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, Nulldurchgänge der Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors oder Nulldurchgänge der Ableitung der Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors zu bestimmen; und eine Erkennungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Schlagereignis bei einem vorstehend bestimmten Nulldurchgang zu erkennen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung weist ein Schlagdrehwerkzeug die Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses auf.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann ein Nulldurchgang der Beschleunigung des Motorabtriebs ein Übergang von einer positiven Beschleunigung zu einer negativen Beschleunigung sein.
Bei der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass das Schlagereignis erfolgt bzw. stattgefunden hat, nachdem entweder die Beschleunigung des Motorabtriebselements ein lokales Maximum erreicht hat, d.h. wenn die Ableitung der Beschleunigung einen Nulldurchgang durchlaufen hat, oder wenn die Beschleunigung selbst einen Nulldurchgang durchlaufen hat.
Das entwickelte Verfahren kann ein Schlagereignis bei dem Schlagdrehwerkzeug kostengünstig und sicher zu erkennen, da die bereits vorhandene Sensorik verwendet wird, beispielsweise die bei dem Elektromotor üblicherweise vorhandenen Hall-Sensoren, die zum Messen der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs eines Elektromotors verwendet werden können.
In vorteilhafter Weise kann die vorliegende Erfindung für alle Arten und Größen von Schlagschraubern geeignet angewendet werden. Das Verfahren kann auf der bereits vorhandenen Hardware umgesetzt werden. Dadurch ist das Verfahren sehr kostengünstig umzusetzen, benötigt keinen Bauraum und die Produktionskomplexität bleibt unbeeinflusst. Da das Verfahren direkt auf der Maschine implementiert ist, stellt es für den Benutzer keine erhöhte Komplexität der Nutzung dar.
Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele des Verfahrens beschrieben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt zum Berechnen der Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors eine Tiefpassfilterung der berechneten Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors durchgeführt, um hochfrequente Störgrößen und Rauschen zu eliminieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden als Nulldurchgänge nur signifikante Nulldurchgänge berücksichtigt, wobei ein signifikanter Nulldurchgang bestimmt wird, wenn ein Nulldurchgang eine vorbestimmte Steilheit überschreitet, oder wenn die Beschleunigung zuvor einen vorbestimmten Schwellwert erreicht hat, vorzugsweise ermittelt durch einen Schmitt-Trigger.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt zum Erkennen des Schlagereignisse bei dem bestimmten Nulldurchgang eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt, wobei ein Schlagereignis insbesondere dann als plausibel bestimmt wird, wenn sich die Drehposition des Motorabtriebs des Elektromotors zwischen zwei Schlägen um einen vorbestimmten Mindestwert erhöht hat, d.h. sie hat sich mindestens so weit erhöht, dass aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Schlagwerks ein Schlagereignis überhaupt auftreten kann, und/oder wenn die Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs des Elektromotors größer ist als Null, und/oder andere Messsignale ebenso auf ein Schlagereignis hindeuten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die anderen Messignale eine gemessene Stromstärke des Elektromotors, eine erfasste Triggerposition, einen erfassten Tastgrad einer elektrischen Spannung des Elektromotors und ein erfasstes Drehmoment des Elektromotors auf. Die Triggerposition kann eine Position eines Bedienelements des Schlagdrehwerkzeugs sein, mit welchem die Drehzahl und/oder die Leistung des Schlagdrehwerkzeugs eingestellt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bestimmt der Schritt zum Messen der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs des Elektromotors erwartete Werte der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit auf Basis eines im Voraus definierten Modells eines Antriebsstrangs exklusive des Schlagereignisses, auf deren Grundlage die Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors berechnet wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kompensiert der Schritt zum Messen der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs des Elektromotors Auswirkungen von extern induzierten Bewegungen auf die Werkzeugwelle auf die Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit, vorzugsweise mittels eines Trägheitssensors. Die extern induzierten Bewegungen können beispielsweise ein Gegenmoment aufweisen, das durch eine Drehung des Schlagdrehwerkzeugs um eine Werkzeugachse durch den Benutzer während der Benutzung oder durch Andrücken des Werkzeugs gegen einen Untergrund erzeugt wird, und/oder Schwingungen und Beschleunigungen sowie alle Eigenfrequenzen des wirkenden Gesamtsystems aus Maschine, Einsatzwerkzeug, Verbrauchsmaterial und Nutzer.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Drehposition und/oder die Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs des Elektromotors durch drei Hall-Sensoren oder den Strom- und Spannungsverlauf von Rotorspulen erfasst, die um einen Rotor oder eine Motorabtriebswelle des Elektromotors in vorbestimmten Winkelabständen angeordnet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Schlagdrehwerkzeug ein Schlagschrauber, ein Bohrhammer, eine Schlagbohrmaschine, ein Meißel oder ein Multitool.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Schlagwerk ein durch den Elektromotor direkt oder indirekt drehbar angetriebenes Hammergewicht mit zumindest einem Vorsprung und einen mit dem Hammergewicht um eine gemeinsame Drehachse rotierbaren sowie mit der Werkzeugwelle verbundenen und drehbar und/oder axial verschieblich gelagerten Amboss mit zumindest einer Aussparung auf, wobei der Vorsprung bei einer Drehung des Hammergewichts relativ zu dem Amboss derart gegen die Aussparung schlägt, dass der Amboss zusammen mit der Werkzeugwelle impulsartig in Umfangsrichtung und optional axial verschoben wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs weist das Schlagdrehwerkzeug eine Steuervorrichtung auf, die dazu konfiguriert ist, die von der Messvorrichtung gemessene Drehposition und/oder Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs aufzunehmen. Die Steuervorrichtung weist die Berechnungsvorrichtung, die Bestimmungsvorrichtung und die Erkennungsvorrichtung auf.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.

Figur 1 zeigt schematisch ein Schlagdrehwerkzeug in Gestalt eines Schlagschraubers gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung zum Erfassen eines Drehwinkels oder einer Drehzahl des Motorabtriebs des Elektromotors des Schlagdrehwerkzeugs der Figur 1.
Figur 3 zeigt rechteckige Wellenformen von positiven und negativen Impulsen, die beim entsprechenden Winkel von den drei Hall-Effekt-Sensoren erfasst werden.
Figur 4 zeigt beispielhaft die Beschleunigung des Motorabtriebs des Elektromotors über die Zeit mitsamt den Nulldurchgängen vom Positiven ins Negative.
Figur 5 zeigt beispielhaft einen signifikanten Nulldurchgang, wenn ein Nulldurchgang eine vorbestimmte Steilheit überschreitet.
Figur 6 zeigt beispielhaft einen signifikanten Nulldurchgang, wenn die Beschleunigung zuvor einen vorbestimmten Schwellwert erreicht hat.

Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Figur 1 zeigt schematisch ein Schlagdrehwerkzeug in Gestalt eines Schlagschraubers. Der Schlagschrauber hat einen Elektromotor 1, ein Schlagwerk und eine Werkzeugwelle 10. Das Schlagwerk wird durch den Elektromotor 1 angetrieben. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Getriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe. Ein Eingang des Getriebes 3 ist mit einer Motorabtriebswelle 2 des Elektromotors 1 verbunden. Ein Ausgang des Getriebes 3 ist mit einer Spindel 4 verbunden. Die Spindel 4 treibt einen Hammer 6 drehend an, der ein Drehmoment über einen Amboss 11 auf eine Werkzeugwelle 10 überträgt. Sobald ein Drehwiderstand der Werkzeugwelle 10 einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird durch ein nachfolgend näher beschriebenes Schlagwerk ein Schlag auf die Werkzeugwelle 10 ausgeübt, so dass sich die Werkzeugwelle 10 schlagartig bzw. impulsartig dreht.
Das Schlagwerk weist den Hammer 6 und den Amboss 11 auf. Der Hammer 6 hat Vorsprünge 8, welche in komplementär ausgebildete Aussparungen 9 des Ambosses 11 eingreifen, um ein Drehmoment zu übertragen. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine V-förmige Nut, entlang der der Hammer 6 geführt wird. Der Hammer 6 wird durch eine Feder 5, vorliegend eine über die Spindel 4 angeordnete Druckfeder, zu dem Amboss 11 vorgespannt, so dass die Vorsprünge 8 des Hammers 6 mit den Aussparungen 9 des Amboss 11 im Eingriff sind. Sobald der Drehwiderstand der Werkzeugwelle 10 den vorbestimmten Wert überschreitet, wird der Hammer 6 entgegen der Kraft der Feder 5 durch die Führung der V-förmigen Nut 7 (oder alternativ durch entsprechende Formgebung der Vorsprünge 8 und der Aussparungen 9) von dem Amboss 11 weggedrückt, bis die Vorsprünge 8 von den Aussparungen 9 außer Eingriff gelangen. In diesem Zustand wird der Hammer 6 durch den Elektromotor 1 beschleunigt. Sobald der Hammer 6 durch die Feder 5 wieder gegen den Amboss 11 gedrückt wird und die Vorsprünge 8 mit den Aussparungen in Eingriff gelangen, nimmt der Hammer 6 den Amboss 11 mit, so dass ein Schlag auf den Amboss 11 ausgeübt wird.
Die Motorabtriebswelle 2 des Elektromotors 1 oder die Spindel 4 können als ein Motorabtrieb des Elektromotors 1 angesehen werden. Alternativ kann ein im Elektromotor 1 integrierter Rotor oder Stator als der Motorabtrieb des Elektromotors 1 angesehen werden.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Schlagschrauber beschränkt, sondern kann ebenfalls auf beliebige Schlagdrehwerkzeuge wie ein Bohrhammer, eine Schlagbohrmaschine, ein Meißel oder ein Multitool angewendet werden. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung auf ein Schlagdrehwerkzeuge angewendet werden, bei dem ein Schlagwerk ein durch den Elektromotor 1 direkt oder indirekt drehbar angetriebenes Hammergewicht 6 mit einer Hammerfläche 8 und einen mit dem Hammergewicht 6 um eine gemeinsame Drehachse rotierbaren sowie mit der Werkzeugwelle 10 verbundenen und drehbar und/oder axial verschieblich gelagerten Amboss 11 mit einer Aussparung 9 aufweist, wobei die Hammerfläche 8 bei einer Drehung des Hammergewichts 6 relativ zu dem Amboss 11 derart gegen die Aussparung 9 schlägt, dass der Amboss 11 zusammen mit der Werkzeugwelle 10 impulsartig in Umfangsrichtung und optional axial verschoben wird.
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung zum Erfassen eines Drehwinkels oder einer Drehzahl des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor 1 ein bürstenloser Elektromotor, der in der Regel bereits über drei integrierte Hall-Effekt-Sensoren (Hall-Sensoren) A, B, C verfügt, die auf dem Rotor oder dem Stator des Elektromotors 1 angeordnet sind. Die Hallsensoren A, B, C sind in einem Abstand von 120° zueinander angebracht, was Winkelpositionen von 0°, 120°, 240 ° (und 360°) entspricht. Wenn die Hallsensoren A, B, C mit dem Magnetfeld des Rotors in Berührung kommen, wird ein entsprechender digitaler Impuls entweder in Form von 1 oder 0 erzeugt, wie dies in der Figur 3 dargestellt ist. In sechs Schritten sind die Hallsensoren A, B, C in der Lage, die Motorposition (Winkel) zu bestimmen.
Figur 3 zeigt rechteckige Wellenformen von positiven und negativen Impulsen, die beim entsprechenden Winkel von den drei Hall-Effekt-Sensoren A, B und C erfasst werden. Wenn der Rotormagnet einen der Sensoren A, B und C kreuzt, erzeugt er ein Low-Signal 0 oder High-Signal 1, je nachdem, ob es sich um den Nordpol oder den Südpol des Rotors handelt, der den Sensor A, B bzw. C passiert hat. Wenn der Rotor alle drei Sensoren A, B und C überquert, schalten die Sensoren A, B und C zwischen Low und High um und geben so die Position des Rotors alle 60 x N ° an, wobei N die Anzahl der Polpaare ist. Die fallenden oder steigenden Flanken der Hallsensorsignale H1, H2, H3 können Schlagereignisse indizieren.
Obwohl die Pole des Rotors immer in einem einheitlichen Winkelabstand angeordnet sind, sind es die Hall-Sensoren A, B, C möglicherweise nicht unbedingt. Daher ist der Drehwinkel des Rotors zwischen zwei Ereignissen nicht immer 60 x N °. Der Drehwinkel des Rotors zwischen zwei steigenden oder fallenden Flanken des gleichen Hallsensorsignals sollte jedoch 360 x N ° betragen.
Die Schlagerkennung basiert auf dem so gemessenen Drehzahlsignal. Wenn der Hammer 6 auf den Amboss 11 aufschlägt, verliert der Hammer 6 einen Teil seiner kinetischen Energie, woraufhin die Feder 5, die indirekt mit der der Werkzeugwelle 10 verbunden ist, gedrückt wird und eine entgegengesetzte Beschleunigung auf das Motorabtriebselement 2, 4 ausübt. Nach dem Aufprall erhöhen sich die Kraft der Feder 5 und über die V-förmige Nut 7 das resultierende Drehmoment, wenn sich das Motorabtriebselement 2, 4 dreht. Sobald die Summe aus Feder- und Reibungsmoment gleich dem elektrischen Drehmoment ist, erreicht auch die Drehzahl ein lokales Maximum. Zwar gibt es eine Zeitverschiebung zwischen dem lokalen Maximum des Signals des Motorabtriebselements 2, 4 und dem Aufprall, doch ist diese für den Regelalgorithmus akzeptabel. Es wird davon ausgegangen, dass das Schlagereignis stattgefunden hat, nachdem entweder die Beschleunigung des Motorabtriebselements 2, 4 ein lokales Maximum erreicht hat, d.h. wenn die Ableitung der Beschleunigung einen Nulldurchgang durchlaufen hat, oder wenn die Beschleunigung selbst einen Nulldurchgang durchlaufen hat.
Das Verfahren zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs weist die folgenden Schritte auf: Messen einer Drehposition und/oder einer Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1, der die Werkzeugwelle 10 über ein Getriebe 3 und das Schlagwerk antreibt; Berechnen einer Beschleunigung des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 auf der Grundlage der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1; Bestimmen von Nulldurchgängen der Beschleunigung des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1; und Erkennen des Schlagereignisse bei einem vorstehend bestimmten Nulldurchgang.
Figur 4 zeigt die Beschleunigung a des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 über die Zeit t mitsamt den Nulldurchgängen vom Positiven ins Negative gemäß einem Beispiel, welche durch einen Pfeil gekennzeichnet sind. Die gekennzeichneten Nulldurchgänge markieren gleichzeitig die Schlagereignisse. Gemäß der Figur 4 werden die Nulldurchgänge der Beschleunigung a des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 bestimmt. Alternativ können bei der vorliegenden Erfindung Nulldurchgänge der (ersten) Ableitung der Beschleunigung a des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 bestimmt werden. Die Nulldurchgänge der Ableitung der Beschleunigung a bestimmen die lokalen Maxima der Beschleunigung a, aus denen ebenfalls ein Schlagereignis hergeleitet werden kann. Auch bei den weiteren Figuren 5 und 6 kann die Beschleunigung a durch die Ableitung der Beschleunigung a ersetzt werden.
Um den Rauschanteil zu reduzieren, wird bei dem Schritt zum Berechnen der Beschleunigung des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 vorzugsweise eine Tiefpassfilterung der berechneten Beschleunigung des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 durchgeführt, so dass hochfrequente Anteile und Rauschen eliminiert werden.
Um die Genauigkeit bei der Erkennung der Schlagereignisse zu verbessern, werden als Nulldurchgänge vorzugsweise nur signifikante Nulldurchgänge berücksichtigt, wobei ein signifikanter Nulldurchgang bestimmt wird, wenn ein Nulldurchgang eine vorbestimmte Steilheit überschreitet.
Figur 5 zeigt beispielhaft einen signifikanten Nulldurchgang, wenn ein Nulldurchgang eine vorbestimmte Steilheit Δa/Δt überschreitet. Die Steilheit Δa/Δt des Nulldurchgangs kann bestimmt werden, wenn eine Differenz Δa der Beschleunigung a während eines Zeitinkrements Δt die vorbestimmte Steilheit Δa/Δt überschreitet, die im Voraus festgelegt ist. Alternativ kann ein Steilheitswinkel α der Beschleunigung a in Bezug auf die Hochachse a in der Nähe des Nulldurchgangs oder vorzugsweise an dem Nulldurchgang bestimmt werden. Der Nulldurchgang ist dann signifikant, wenn der Steilheitswinkel α einen vorbestimmten Wert unterschreitet, oder wenn der tanα einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
Um die Genauigkeit bei der Erkennung der Schlagereignisse zu verbessern, können als Nulldurchgänge auch vorzugsweise nur signifikante Nulldurchgänge berücksichtigt werden, wenn die Beschleunigung a zuvor einen vorbestimmten Schwellwert erreicht hat, vorzugsweise ermittelt mittels eines Schmitt-Triggers. Figur 6 zeigt beispielhaft einen signifikanten Nulldurchgang, die Beschleunigung a zuvor einen vorbestimmten Schwellwert A_limit erreicht hat.
Um die Genauigkeit bei der Erkennung der Schlagereignisse weiter zu verbessern, wird bei dem Schritt zum Erkennen des Schlagereignisse bei dem bestimmten Nulldurchgang vorzugsweise eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt, wobei ein Schlagereignis insbesondere dann als plausibel bestimmt wird, wenn sich die Drehposition des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 zwischen zwei Schlägen um einen vorbestimmten Mindestwert erhöht hat, und/oder wenn die Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 größer ist als Null. Die Drehposition des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 kann sich beispielsweise zwischen zwei Schlägen um einen vorbestimmten Mindestwert mindestens so weit erhöht haben, dass aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Schlagwerks ein Schlagereignis überhaupt auftreten kann. Die Plausibilitätsprüfung kann alternativ oder zusätzlich ein Schlagereignis insbesondere dann als plausibel bestimmen, wenn andere Messsignale ebenso auf ein Schlagereignis hindeuten. Die anderen Messignale können eine gemessene Stromstärke des Elektromotors 1, eine erfasste Triggerposition, einen erfassten Tastgrad einer elektrischen Spannung des Elektromotors 1 und ein erfasstes Drehmoment des Elektromotors 1 aufweisen. Die Triggerposition kann eine Position eines Bedienelements des Schlagdrehwerkzeugs sein, mit welchem die Drehzahl und/oder die Leistung des Schlagdrehwerkzeugs eingestellt werden kann.
Das Verfahren kann dadurch verbessert werden, dass der Schritt zum Messen der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 erwartete Werte der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit auf Basis eines im Voraus bestimmten Modells eines Antriebsstrangs exklusive des Schlagereignisses bestimmt, auf deren Grundlage die Beschleunigung des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 berechnet wird.
Das Verfahren kann auch dadurch verbessert werden, dass der Schritt zum Messen der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs 2, 4 des Elektromotors 1 Auswirkungen von extern induzierten Bewegungen auf die Werkzeugwelle 10 auf die Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit kompensiert, vorzugsweise mittels eines Trägheitssensors. Die extern induzierten Bewegungen können beispielsweise ein Gegenmoment aufweisen, das durch eine Drehung des Schlagdrehwerkzeugs um eine Werkzeugachse durch den Benutzer während der Benutzung und/oder durch Andrücken des Werkzeugs gegen einen Untergrund und/oder durch Schwingungen und Beschleunigungen sowie alle Eigenfrequenzen des wirkenden Gesamtsystems aus Maschine, Einsatzwerkzeug, Verbrauchsmaterial und Nutzer erzeugt wird. Extern um die Werkzeugwelle 10 induzierte Bewegungen des Werkzeugs bewirken eine Änderung des relativen Winkels von Werkzeug zu Amboss 11, ohne dass sich der Abtriebswinkel relativ zur Umgebung/zum Inertialsystem geändert hat. Dies kann über die Nutzung des Trägheitssensors, beispielsweise ein Beschleunigungssens und/oder ein Gyroskope, kompensiert werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Motorabtriebswelle
3: Getriebe
4: Spindel
5: Feder
6: Hammer
7: Nut
8: Vorsprung
9: Aussparung
10: Werkzeugwelle
11: Amboss
a: Beschleunigung
t: Zeit
α: Steilheitswinkel
Alimit: Schwellwert
A: Hall-Sensor
B: Hall-Sensor
C: Hall-Sensor

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs mit einer, vorzugsweise drehbaren, Werkzeugwelle (10), die an ihrem freien Ende mit einem Werkzeug verbindbar ist, und einem Schlagwerk, das dazu konfiguriert ist, einen rotatorischen und/oder axialen Schlag auf die Werkzeugwelle (10) auszuüben, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
Messen einer Drehposition und/oder einer Drehgeschwindigkeit eines Motorabtriebs (2, 4) eines Elektromotors (1), der die Werkzeugwelle (10) über das Schlagwerk antreibt;

Berechnen einer Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) auf der Grundlage der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1);

Bestimmen von Nulldurchgängen der Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) oder Bestimmen von Nulldurchgängen der Ableitung der Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1); und

Erkennen des Schlagereignisses bei einem vorstehend bestimmten Nulldurchgang.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei dem Schritt zum Berechnen der Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) eine Tiefpassfilterung der berechneten Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei als Nulldurchgänge nur signifikante Nulldurchgänge berücksichtigt werden, wobei ein signifikanter Nulldurchgang bestimmt wird, wenn ein Nulldurchgang eine vorbestimmte Steilheit (Δa/Δt) überschreitet, oder wenn die Beschleunigung (a) zuvor einen vorbestimmten Schwellwert (A_limit) erreicht hat, vorzugsweise ermittelt durch einen Schmitt-Trigger.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei dem Schritt zum Erkennen des Schlagereignisse bei dem bestimmten Nulldurchgang eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird, wobei ein Schlagereignis insbesondere dann als plausibel bestimmt wird, wenn sich die Drehposition des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) zwischen zwei Schlägen um einen vorbestimmten Mindestwert erhöht hat, und/oder wenn die Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) größer ist als Null, und/oder andere Messsignale ebenso auf ein Schlagereignis hindeuten, wobei vorzugsweise die anderen Messignale eine gemessene Stromstärke des Elektromotors (1), eine erfasste Triggerposition, einen erfassten Tastgrad einer elektrischen Spannung des Elektromotors (1) und ein erfasstes Drehmoment des Elektromotors (1) aufweisen.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schritt zum Messen der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) erwartete Werte der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit auf Basis eines Modells eines Antriebsstrangs exklusive des Schlagereignisses bestimmt, auf deren Grundlage die Beschleunigung des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schritt zum Messen der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) Auswirkungen von extern induzierten Bewegungen auf die Werkzeugwelle (10) auf die Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit kompensiert, vorzugsweise mittels eines Trägheitssensors.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Drehposition und/oder die Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) durch drei Hall-Sensoren (A, B, C) oder einen Strom- und Spannungsverlauf von Rotorspulen erfasst wird, die um einen Rotor oder eine Motorabtriebswelle (2) des Elektromotors (1) in vorbestimmten Winkelabständen angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Schlagdrehwerkzeug ein Schlagschrauber, ein Bohrhammer, eine Schlagbohrmaschine, ein Meißel oder ein Multitool ist.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Schlagwerk ein durch den Elektromotor (1) direkt oder indirekt drehbar angetriebenes Hammergewicht (6) mit zumindest einem Vorsprung (8) und einen mit dem Hammergewicht (6) um eine gemeinsame Drehachse rotierbaren sowie mit der Werkzeugwelle (10) verbundenen und drehbar und/oder axial verschieblich gelagerten Amboss (11) mit zumindest einer Aussparung (9) aufweist, wobei der Vorsprung (8) bei einer Drehung des Hammergewichts (6) relativ zu dem Amboss (11) derart gegen die Aussparung (9) schlägt, dass der Amboss (11) zusammen mit der Werkzeugwelle (10) impulsartig in Umfangsrichtung und optional axial verschoben wird.
Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs mit einer, vorzugsweise drehbaren, Werkzeugwelle (10), die an ihrem freien Ende mit einem Werkzeug verbindbar ist, und einem Schlagwerk, das dazu konfiguriert ist, einen rotatorischen und/oder axialen Schlag auf die Werkzeugwelle (10) auszuüben, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:
eine Messvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Drehposition und/oder eine Drehgeschwindigkeit eines Motorabtriebs (2, 4) eines Elektromotors (1) zu messen, der die Werkzeugwelle (10) über das Schlagwerk antreibt;

eine Berechnungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) auf der Grundlage der Drehposition und/oder der Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) zu berechnen;

eine Bestimmungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, Nulldurchgänge der Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) oder Nulldurchgänge der Ableitung der Beschleunigung (a) des Motorabtriebs (2, 4) des Elektromotors (1) zu bestimmen; und

eine Erkennungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Schlagereignis bei einem vorstehend bestimmten Nulldurchgang zu erkennen.
Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei
die Messvorrichtung drei Hall-Sensoren (A, B, C) aufweist, die um einen Rotor oder eine Motorabtriebswelle (2) des Elektromotors (1) in vorbestimmten Winkelabständen angeordnet sind.
Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei
das Schlagdrehwerkzeug eine Steuervorrichtung aufweist, die dazu konfiguriert ist, die von der Messvorrichtung gemessene Drehposition und/oder Drehgeschwindigkeit des Motorabtriebs (2, 4) aufzunehmen, und die die Berechnungsvorrichtung, die Bestimmungsvorrichtung und die Erkennungsvorrichtung aufweist.
Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Schlagdrehwerkzeug ein Schlagschrauber, ein Bohrhammer, eine Schlagbohrmaschine, ein Meißel oder ein Multitool ist.
Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses eines Schlagdrehwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Schlagwerk ein durch den Elektromotor (1) direkt oder indirekt drehbar angetriebenes Hammergewicht (6) mit zumindest einem Vorsprung (8) und einen mit dem Hammergewicht (6) um eine gemeinsame Drehachse rotierbaren sowie mit der Werkzeugwelle (10) verbundenen und drehbar und/oder axial verschieblich gelagerten Amboss (11) mit zumindest einer Aussparung (9) aufweist, wobei der Vorsprung (8) bei einer Drehung des Hammergewichts (6) relativ zu dem Amboss (11) derart gegen die Aussparung (9) schlägt, dass der Amboss (11) zusammen mit der Werkzeugwelle (10) impulsartig in Umfangsrichtung und optional axial verschoben wird.
Schlagdrehwerkzeug mit einer Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14.