WO2018234289A1

WO2018234289A1 - Druckluftgetriebenes werkzeug

Info

Publication number: WO2018234289A1
Application number: PCT/EP2018/066213
Authority: WO
Inventors: Stefan Wiedemeier; Stefan INEICHEN
Original assignee: Otto Suhner Ag
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Druckluftgetriebenes Werkzeug mit einem elektromagnetisch betätigten Steuerglied (27) zur Steuerung eines pneumatischen Steuerkreises zur Aufrechterhaltung eines lastunabhängigen Drehmoments bei konstanter Drehzahl. Das Werkzeug umfasst ein Hauptventil (5), welches in einem Antriebsgehäuse (1) von der zugeführten Druckluft gegen die Kraft einer Schraubenfeder (13) verschiebbar angeordnet ist und einen Generator (43), der auf der Welle (49) eines Turbinenrads (51) sitzt. Mit einem Drehzahlsensor (75) wird die Drehzahl der Welle (49) gemessen und bei Drehzahlabfall infolge einer Last wird der Zufluss von Druckluft an das Hauptventil (5) gesteuert.

Description

Druckluftgetriebenes Werkzeug

Gegenstand der Erfindung ist ein druckluftgetriebenes Werkzeug gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Druckluftgetriebene Werkzeuge finden vorwiegend Einsatz in der metallverarbeitenden Industrie und zeichnen sich durch ein verhältnismässig geringes Gewicht in Bezug auf die Leistung aus, da kein Antriebsmotor, wie ein Elektromotor, innerhalb des Werkzeugs angeordnet ist und insbesondere bei handbetätigten Werkzeugen zur raschen Ermüdung der Betätigungs- oder der Bedienungsperson führt.

Die Drehzahlregelung bei solchen Werkzeugen ist aufwendig und wurde bisher mittels Fliehkraftreglern vorgenommen, die im Leerlauf die Luftzufuhr drosseln und bei Belastung wieder freigeben. Die heute geforderte Zuverlässigkeit und die Konstanthaltung der Drehzahl bei wechselnden

Arbeitsvorgängen und Bedingungen kann nicht erreicht werden .

Aus der US 6,908,277 ist weiter ein Drehzahlregler für einen rotierenden Druckluftmotor beschrieben. Bei diesem Drehzahlregler ist auf der Welle des Werkzeugs ein

Generator angeordnet, welcher in Abhängigkeit der Drehzahl der Welle eine entsprechend variable Ausgangsspannung erzeugt. Mit der jeweiligen Ausgangsspannung wird ein elektromagnetisches Stellglied gespeist, um das

Einlassventil für Druckluft am Werkzeug in direkter

Abhängigkeit von der Ausgangsspannung zu steuern. Bei dieser bekannten Ausführung wird das Fliehkraftelement durch ein elektromagnetisches angesteuertes Stellglied ersetzt. Das heisst, es wird für die Betätigung des elektromagnetischen Stellglieds innerhalb des Werkzeugs eine Spannung erzeugt, so dass dieses ohne eine externe Stromquelle auskommt.

Nachteilig an dieser Drehzahlregelung ist die Tatsache, dass die Regelung der Arbeitsdrehzahl von der von der Motorwelle erzeugten variablen Spannung abhängt. Dies bedeutet, dass die Aufrechterhaltung der Drehzahl des Werkzeugs, insbesondere bei veränderlicher Last, nicht oder nur ungenügend möglich ist.

Aus der EP 2 449 999 ist ein fluidbetriebener

medizinischer, insbesondere dentaler Handgriff bekannt. Die Bestimmung des Ist-Werts der Drehzahl erfolgt über die Amplitude der gleichgerichteten Generatorspannung (analog) und das Stellglied ist als Proportionalventil oder als Drossel ausgebildet. Für Fluidantriebe im medizinischen Bereich, bei denen sehr geringe Drehmomente erzeugt werden müssen, genügt dieses Vorgehen, jedoch nicht für Werkzeuge der metallverarbeitenden Industrie.

Aus der US 2001/0088921 ist weiter ein pneumatisch

betriebenes Handwerkzeug bekannt, bei welchem über eine interne Batterie und einem Mikrocomputer ein elektromagnetisches Ventil direkt im Zuluftkanal steuerbar ist. Die Batterie wird durch einen Generator im

Abluftstrom gespeist, dessen erzeugte Energie nicht für die Betätigung eines elektromagnetischen Ventils genügt. Aus der EP 2 727 552 ist ein weiteres medizinisches

Handstück bekannt, bei dem zur Steuerung eine elektrische Energiequelle wie eine Konstantstromquelle und/oder eine Konstantspannungsquelle, d.h. eine externe Stromquelle eingesetzt ist. Ein Stromanschluss , der durch das

anmeldungsgemässe Werkzeug vermieden werden soll, ist hier unabdingbar .

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines druckluftgetriebenen Werkzeugs, bei dem die

eingestellte Drehzahl auch unter Einfluss von Störgrössen wie der Last auf einem einstellbaren Wert exakt

einstellbar ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass bei Stromausfall durch Versagen des internen Generators die Drehzahl sofort auf einen für das Werkzeug und das

Werkstück minimalen unschädlichen Wert abfällt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein druckluftgetriebenes Werkzeug gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Werkzeugs sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben. Durch einen Spannungsregler kann unabhängig von der momentanen und zugleich an die durchzuführenden Arbeiten angepasste variablen Drehzahl der Welle eine konstante Ausgangsspannung zur Speisung eines MikroControllers erzeugt werden. Folglich kann dadurch in Abhängigkeit der gemessenen Drehzahl des Motors unabhängig von der Last am Werkzeug das elektromagnetische Steuerglied zur Steuerung des Luftdurchlasses am Einlassventil erfolgen und die gewählte Drehzahl bei variabler Last aufrechterhalten werden. Die intern erzeugte Spannung dient nur zur

Speisung des Microcontrollers und des Einlassventils.

Anhand zweier illustrierter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher umschrieben. Es zeigen:

Figur la ein Funktionsdiagram, des mit Druckluft

betriebenen Werkzeugs,

Figur lb eine schematische Darstellung eines

druckluftbetriebenen Werkzeugs, im Beispiel ein Winkelschleifer,

Figur 2a einen Vertikalschnitt durch eine erste

Ausführungsform des Werkzeugs unmittelbar nach der Beaufschlagung mit Druckluft,

Figur 2b das Werkzeug gemäss Figur 2a während der

Anlaufph

Figur 2c das Werkzeug während des Betriebs

höchster Drehzahl oder grösstem Drehmoment, eine alternative Ausführung der

Drehzahlerfassung bei unveränderter

LuftZuführung im Werkzeug gemäss Figur 2a, einen Vertikalschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Werkzeugs unmittelbar nach der Beaufschlagung mit Druckluft, das Werkzeug gemäss Figur 3a während der Anlaufphase,

das Werkzeug während des Betriebs bei höchster Drehzahl oder grösstem Drehmoment, eine alternative Ausführung der

Drehzahlerfassung bei unveränderter

LuftZuführung im Werkzeug gemäss Figur 3a, eine grafische Darstellung des

Drehzahlverlaufs an der Welle mit und ohne Drehzahlregelung während des Startvorgangs, eine grafische Darstellung der Spannung am Generator entlang der Zeitachse während des StartVorgangs ,

eine grafische Darstellung des

Einschaltzustands des Elektromagnets bezüglich der Zeitachse während des

StartVorgangs ,

eine grafische Darstellung des

Öffnungsquerschnitts des Hauptventils während des Startvorgangs, eine grafische Darstellung des

Drehmomentverlaufs während des

Start organgs ,

eine grafische Darstellung des

Drehzahlverlaufs an der Welle mit und ohne Drehzahlregelung im Lastfall, eine grafische Darstellung der Spannung am Generator entlang der Zeitachse im Lastfall, eine grafische Darstellung des

Einschaltzustands des Elektromagnets

bezüglich der Zeitachse im Lastfall,

eine grafische Darstellung des

Öffnungsquerschnitts des Hauptventils im Lastfall ,

eine grafische Darstellung des

Drehmomentverlaufs im Lastfall.

Die Figur la stellt ein Funktionsdiagram eines

erfindungsgemässen druckluftgetriebenen Werkzeugs dar, wie eines beispielsweise in den Figuren lb und lc dargestellt ist. Figur lb zeigt einen Winkelschleifer als

druckluftbetriebenes Werkzeug. Der Winkelschleifer ist in Figur lc explosionsartig in seine Elemente aufgeteilt, nämlich in das erste Gehäuseteil 100 mit dem Lufteinlass und dem Betätigungshebel, das zweite Gehäuseteil 101 mit der Elektronik und dem Werkzeugkopf 102, an welchem eine Schleifscheibe (nicht dargestellt) befestigbar ist. An die Stelle des Winkelschleifköpfs kann selbstverständlich auch eine Abtriebsspindel in gerader Ausführung montiert sein. Zur Veranschaulichung des Funktionsdiagramms werden in den Figuren 2a bis 2c und 3a bis 3c zwei Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Mit Bezugszeichen 1 ist schematisch das Antriebsgehäuse mit den Antriebselementen des druckluftgetriebenen

Werkzeugs schematisch dargestellt. Ein möglicher Aufbau des Werkzeugs ist in Figur lb dargestellt.

Unterschiedliche Werkzeugtypen können mit solchen

Antriebselementen verbunden sein. Das erste Gehäuseteil 101 umfasst einen Lufteinlasskanal 3, durch den Luft von einer nicht dargestellten Druckluftquelle zugeführt wird, der zu einem Hauptventil 5 führt. Dieses ist in einer Bohrung 7, die einen Hubraum bildet, axial geführt. Das Hauptventil 5 umfasst einen kreisringförmigen ersten

Dichtbereich 9 und, axial beabstandet dazu, einen zweiten kolbenartigen Dichtbereich 11, wobei beide Dichtbereiche 9 und 11 an der Wand der Bohrung 7 dichtend geführt sind. Die Dichtelemente an den Dichtbereichen 9,11 sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt und zudem aus dem Stand der Technik von pneumatischen Ventilen bekannt. Der Lufteinlasskanal 3 mündet in die Bohrung 7 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Schultern 9' und 11' der beiden Dichtbereiche 9,11. Vorzugsweise ist die Bohrung 7 im Bereich der Einmündung des

Lufteinlasskanals 3 als umlaufende Ringnut 65 radial erweitert, um den eintretenden Luftstrom über den gesamten Umfang der Bohrung 7 zu verteilen. An den zweiten

Dichtbereich 11 liegt axial wirkend eine Schraubenfeder 13 mit deren ersten Ende an. Deren zweites Ende ist am rechten Ende der Bohrung 7 im Fussraum 14 abgestützt.

Durch die Schraubenfeder 13 wird das Hauptventil 5 gegen das erste Ende des Kopfraums 17 der Bohrung (links in den Figuren) angepresst, so lange durch den Lufteinlass 3 kein oder nur ein äusserst geringer Zufluss an Druckluft erfolgt. Der auf der linken Seite in den Figuren liegende Dichtbereich 9 liegt, beabstandet durch einen

scheibenförmigen Endbereich 15, zum hinteren Ende des Kopfraums 17 der Bohrung 7 gehalten. Aus dem beabstandeten Bereich, das heisst dem ringförmigen Kopfraum 17, führt ein erster Entlüftungskanal 19 zu einem Ventilraum 21. Ein zweiter Entlüftungskanal 23 führt vom Ventilraum 21 ins Freie, das heisst aus dem Gehäuse 1 hinaus.

Die Bohrung 7 für das Hauptventil 5 ist weiter über einen Druckkanal 25 ebenfalls mit dem Ventilraum 21 verbunden. Der Druckkanal 25 mündet in die Ringnut 65.

Im Ventilraum 21 ist ein Regelventil 27 als Steuerglied, beispielsweise ein um eine Achse 29 schwenkbarer

hebelartiger Ventilkörper mit zwei an die Enden der

Druckkanäle 23, 25 abwechslungsweise anzuliegen bestimmten Dichtelementen 28, 30 angeordnet. Das Regelventil 27 umfasst ein erstes Ende 27' mit dem Dichtelement 28 und ein zweites Ende 27" mit dem Dichtelement 30. Je nach Schwenklage des Regelventils 27 kann mit dem ersten Ende 21' der zweite Entlüftungskanal 23 verschlossen werden oder mit dem zweiten Ende 27" der Druckkanal 25. Ein

Federelement 31, welches von einer am ersten Ende 27' angreifenden Schraubenfeder oder einem Tellerfederpaket gebildet sein kann, drückt das zweite Ende 27" nach oben und schliesst den Druckkanal 25 gegenüber dem Ventilraum 21 ab. Das Regelventil 27 kann durch einen Elektromagnet 33 gegen die Kraft des Federelements 31 um eine Achse 29 verschwenkt werden, so dass der Druckkanal 25 offengelegt und der zweite Entlüftungskanal 23 verschlossen wird. Die Wicklung 35 des Elektromagnets 33 wird von einer

Stromquelle über einem MikroController 37 gespeist. Am MikroController 37 ist beispielsweise ein Potentiometer 39 angeschlossen, mit welchem die Spannung an der Wicklung 35 über die Leitungen 41 der Magnet 33 aktivierbar ist. Bei stromlosen Magnet 33 wird der Druckkanal 25 zum Ventilraum 21 verschlossen gehalten, so dass kein Druckaufbau im Kopfraum 17 erfolgt und folglich das Hauptventil 5 die für den Antrieb notwendige Zufuhr von Luft zu einem

Turbinenrad 51 verhindert.

Der Aufbau einer Betriebsspannung für den MikroController 37 erfolgt im Zuluftstrom über einen Generator 43, dessen Wicklungen 45 beispielsweise am Gehäuse 1 befestigt sein können und mit einem Rotor 47 zusammenwirken. Der Rotor 47 ist auf der Welle 49 des Turbinenrads 51 angeordnet. Das Turbinenrad 51 wird von mindestens einem Lager 53 am

Gehäuse 1 getragen. Vom Generator 43 wird die dort erzeugte Wechselspannung einem Gleichrichter 55

zugeleitet. Der Gleichrichter 55 ist weiter verbunden mit einem Spannungsregler 57, welcher den MikroController 37 mit einer konstanten Gleichstromspannung speist, die unabhängig ist von der momentanen Drehzahl der Welle 49 des Turbinenrads 51. Das Turbinenrad 51 kann, wie in den Figuren dargestellt, direkt auf der Abtriebswelle 49 des Werkzeugs angeordnet sein oder in einem Bypass am

Zuführkanal 61 für Druckluft zum Turbinenrad 51 (keine Abbildung) .

Das Turbinenrad 51 mit seinen nicht im Detail, sondern rein schematisch dargestellten Schaufeln 59 wird durch den Zuluftstrom, welcher durch den Zuführkanal 61 geführt wird, angetrieben. Der Zuführkanal 61 ist mit der Bohrung 7 im Gehäuse 1 verbunden. Die Mündung des Zuführkanals 61 in die Bohrung 7 liegt in einem ersten ringförmigen

Einstich 67 in der Bohrung 7. Nebst dem in den Figuren von unten in die Bohrung 7 mündenden Zuführkanal 61 kann ein weiterer Zuführkanal 61' in den Schaufelraum 63, in welchem die Schaufeln 59 umlaufen, geführt sein. Der zweite Zuführkanal 61' mündet axial versetzt in den zweiten ringförmigen Einstich 69 in die Bohrung 7.

Die beiden ringförmigen Einstiche 67 und 69 sind im drucklosen Bereich, das heisst ohne Druckluftzufuhr oder mit Druckluftzufuhr, der eine kolbenförmige Gestalt aufweist, abgedeckt.

Im ersten Ausführungsbeispiel gemäss den Figuren 2a bis 2d ist am zylindrischen Mantel des zweiten Dichtungsbereichs 11 stirnseitig eine Anphasung bzw. ein konischer Abschnitt 71 ausgebildet. An dieser Stelle wird dadurch ein schmaler ringförmiger Durchlass für die durch den Lufteinlasskanal 3 der Bohrung 7 zugeführte Druckluft geschaffen. Diese einströmende Luft gelangt über den ersten Zuführkanal 61 zu den Schaufeln 59 im Schaufelraum 63 und von dort nach dem Passieren der Schaufeln 59 durch einen Abluftkanal 73 in die Atmosphäre. Die durch den ersten Zuführkanal 61 dem Turbinenrad 51 zugeführte Luftstrom bewirkt, dass das Turbinenrad 51 in Drehung versetzt wird und dadurch der Generator 43 in Abhängigkeit von der Drehzahl des

Turbinenrads 51 eine Spannung erzeugt, die im

Gleichrichter 55 gleichgerichtet und im Spannungsregler 57 unabhängig von der Drehzahl des Turbinenrads 51 konstant gehalten wird. Mit dieser konstant gehaltenen Spannung wird der MikroController 37 gespeist. Mit dessen

Ausgangsspannung kann mit dem Potentiometer 39 oder einem anderen entsprechenden elektronischen Element der

Elektromagnet 33 angesteuert werden, um die Zuluftmenge zum Hauptventil 5 zu steuern. Nachfolgend wird die Funktionsweise der elektronischen Steuerung des Druckluftwerkzeugs gemäss dem ersten

Ausführungsbeispiel beschrieben.

Vor Beginn der Arbeitsaufnahme mit dem Werkzeug, das heisst bevor durch den Einlasskanal 3 dem Turbinenrad 51 Druckluft zugeführt wird, beispielsweise ab dem

Betriebsnetz, befindet sich das Hauptventil 5 in der in den Figuren 2a und 2d dargestellten Position, nämlich durch die Feder 13 beaufschlagt in Anschlag mit dem linken Ende in der Bohrung 7. Sobald Druckluft durch den

Lufteinlass 3 eingeführt wird, kann eine minimale Menge durch den ringförmigen Spalt gebildet durch den konischen Abschnitt 71 zum ersten Zuführkanal 61 fliessen und das Turbinenrad 51 in Drehung versetzen (Startphase Fig. 4-8) . Diese Drehbewegung des Turbinenrads 51 genügt, um die notwendige minimale Spannung am MikroController 37

anzulegen. Dabei verbleibt das Hauptventil 5 in der

Ausgangsposition gemäss Figuren 2a und 2d, auch dann, wenn der Druck zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtbereich 9, 11 den Netzdruck erreicht hat. Die Position des

Hauptventils 5 verharrt folglich unabhängig vom Druck im Ringraum 65, da die projizierten Querschnittsflächen

9', 11' der beiden Dichtbereiche 9,11 gleich gross sind und der Kopfräum 17 mit der Atmosphäre verbunden ist.

Der Raum 14 in der Bohrung 7, in welchem die

Schraubenfeder 13 angeordnet ist, wird durch eine mit der Atmosphäre verbundene Entlüftungsöffnung 77 drucklos bzw. auf Atmosphärendruck gehalten. Der ringförmige Kopfräum 17 hinter dem ersten Dichtungsbereich 9 ist in diesem

Zeitpunkt über dem ersten Entlüftungskanal 19 dem

Ventilraum 21 und den zweiten Entlüftungskanal 23

ebenfalls mit der Atmosphäre verbunden und drucklos. Der Druckkanal 25, welcher von der Bohrung 7 in den Ventilraum 21 führt, ist durch das Regelventil 27 bzw. dessen

Dichtelement 30 am zweiten Ende 27" verschlossen.

Sobald die für den Betrieb des MikroControllers 37

notwendige Betriebsspannung Vi erreicht ist, kann durch Ein- und Ausschalten des Elektromagneten 33 die mit dem Potentiometer 39 voreingestellte Drehzahl erlangt werden. Die Drehzahl wird durch einen geeigneten Drehzahlsensor 75 an der Welle 49 gemessen. Das Ein- und Ausschalten des Elektromagneten 33 bewirkt abwechslungsweise das Öffnen und Schliessen des Druckkanals 25 und des zweiten

Entlüftungskanals 23 und folglich ein Oszillieren des Regelventils 27. Die dadurch bewirkte Beaufschlagung des Hauptventils 5 mit Druckluft wird nachfolgend beschrieben. Wird nun eine Last an der Welle 49 angelegt, so fällt anfänglich die Drehzahl. Um dies ausgleichen zu können, d.h. das Drehmoment zu erhöhen, um die gewünschte Drehzahl beibehalten zu können, wird mit dem MikroController 37 durch entsprechende Aktivierung des Elektromagneten 33 das Regelventil 27 im Uhrzeigersinn geschwenkt, wodurch

Druckluft aus dem Lufteinlass 3 über die Ringnut 65 durch den Druckkanal 25 in den Ventilraum 21 strömen und weiter on dort durch den ersten Entlüftungskanal 19 in den ringförmigen Raum 17 hinter dem ersten Dichtbereich 9 fliessen kann (Fig. 2a) . Dadurch verschiebt sich das stirnseitig mit Druckluft beaufschlagte Hauptventil 5 gegen die Kraft der Schraubenfeder 13 nach rechts. Nun kann die Druckluft aus der Bohrung 7 nicht nur durch den ersten Zuführkanal 61 zum Turbinenrad 51 gelangen, sondern gemäss Figur 2c wird auch der zweite Ringkanal 69 mit Druckluft beaufschlagt, durch welchen die Druckluft in den zweiten Zuführkanal 61' fliesst. Das Turbinenrad 51 wird nun durch eine grössere Menge Druckluft beaufschlagt, wodurch sich das Drehmoment auf der Welle 49 erhöht.

In der Praxis wird dies dadurch erreicht, dass das

Regelventil 27 eine Drehschwingung ausführt und dadurch die dem rückwärtigen Ende des ersten Dichtbereichs 9 zugeführte Druckluft an das verlangte Drehmoment

angleicht. Dies kann mehrmals pro Sekunde der Fall sein (vergl . Fig . 6) . Die zweite Ausgestaltung des druckgetriebenen Werkzeugs gemäss den Figuren 3a-3d unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der ringförmige Kopfraum 17 am rückwärtigen Ende des ersten Dichtbereichs 9 unter Zwischenschaltung einer Drossel 79 mit der Atmosphäre verbunden ist. Das Regelventil 27 ist bei dieser

Ausgestaltung folglich nur einseitig wirksam und kann den Druckkanal 25 zum Ventilraum 21 hin öffnen oder schliessen. Beim Öffnen des Druckkanals 25 fliesst von der Bohrung 7 Druckluft in den Ventilraum 21 und von dort durch den ersten Entlüftungskanal 19 in den ringförmigen Kopfräum 17. Ein Teil der in den Ringraum 17 geführten Druckluft kann gedrosselt entweichen, so dass die auf das Hauptventil 5 wirkende Kraft kleiner ist als im ersten Ausführungsbeispiel .

In der Praxis ist es sinnvoll, für die zweite

Ausgestaltungsvariante ein grösseres Regelventil zu verwenden, um den ständigen Abluftstrom, hervorgerufen durch die Drossel, ausgleichen zu können.

In den grafischen Darstellungen in Figur 4 sind, in gebrochenen Linien dargestellt, der Drehzahlverlauf ohne elektronische Steuerung, das heisst während des

Startvorgangs und auch bei Ausfall des Generators 43, und der Verlauf der Drehzahl auf der Zeitachse mit

ausgezogener Linie dargestellt. Deutlich ersichtlich ist, dass in der Startphase die Drehzahl während des Aufbaus des Netzdrucks der Druck in der Bohrung 7 zwischen den beiden Dichtbereichen 9 und 11 ansteigend verläuft und dann, z.B. nach 1,5 Sekunden, wenn die Spannung des

Generators 43 beispielsweise 5 Volt erreicht hat, die Drehzahl steiler nach oben ansteigt, weil das Regelventil 27 durch den Elektromagnet 33 im Uhrzeigersinn geschwenkt wird und dadurch der in der Bohrung 7 aufgebaute Druck (Netzdruck) durch den Ventilraum 21 in den ersten Entlüftungskanal 19 und von dort in den ringförmigen

Kopfräum 17 gelangen kann. Die Druckerhöhung im Kopfräum 17 bewirkt eine Verschiebung des Hauptventils 5 nach rechts gegen die Kraft der Feder 13. Durch die

Verschiebung des Hauptventils 5 gelangt aus der Bohrung 7 Druckluft zuerst durch den ersten Zuführkanal 61 zum

Turbinenrad 51 und - falls diese zusätzliche Luftzufuhr zum Turbinenrad 51 für das Erreichen der eingestellten Drehzahl nicht genügt - weiter durch den zweiten

Zuführkanal 61' zum Turbinenrad 51. Sobald die

eingestellte Drehzahl, im Beispiel 5000 Umdrehungen pro Minute, erreicht ist, wird über den MikroController 37 das Regelventil 27 geschlossen, so dass auf der Rückseite des Hauptventils 5, das heisst auf dessen linken Seite im Kopfraum 17 in den Figuren 2 und 3, der Druck abfällt und so das Hauptventil 5 sich durch die Kraft der Feder 13 wieder nach links bewegt, und zwar so weit, damit die eingestellte Drehzahl aufrechterhalten wird, also auf einer horizontalen Linie verläuft. Die eingestellte

Drehzahl liegt zwischen der minimalen Drehzahl (untere punktierte Linie, beispielsweise bei 30000 Umdrehungen pro Minute und der oberen punktierten Linie, beispielsweise bei 75000 Umdrehungen pro Minute) , die nicht überschritten werden darf.

In der Darstellung gemäss Figur 5, welche das Mass des Öffnungsquerschnitts am Hauptventil 5 über die Zeit s zeigt, ist ersichtlich, dass unabhängig von der

Beaufschlagung der Bohrung 7 mit Druckluft stets ein kleiner Luftstrom von der Bohrung 7 zum ersten Einstich 67 und von dort durch den ersten Zuführkanal 61 zum

Turbinenrad 51 gelangen und dieses in Drehung versetzen kann und folglich der Generator 43 eine Spannung erzeugt, welche durch den Spannungsregler 57 konstant gehalten wird. Durch das Öffnen des Regelventils 27 kann mehr

Druckluft durch den Druckkanal 25 in den ersten

Entlüftungskanal 19 fliessen und bewirkt dort einen

Druckaufbau im ringförmigen Kopfräum 17. Dadurch wird das Hauptventil 5 rasch nach rechts gegen die Kraft der Feder 13 gedrückt, was zu einer Vergrösserung des

Öffnungsquerschnitts, das heisst einen vergrösserten

Durchgang von der Bohrung 7 mindestens in den ersten

Einstich 67 und von dort zum Turbinenrad 51 bewirkt. Der Öffnungsquerschnitt wird danach durch den MikroController 37, der das Regelventil 27 anhand der an der Welle 49 gemessenen Drehzahl regelt, sofort wieder verkleinert, indem die Zufuhr von Druckluft in dem ringförmigen

Kopfraum 17 reduziert wird. Bis der Öffnungsquerschnitt ein Mass erreicht hat, bei dem die Drehzahl der Welle auf dem eingestellten Wert, z.B. 50000 Umdrehungen pro Minute liegt .

In der Figur 5 ist der Verlauf der Spannung am Generator 43 dargestellt. Die ausgezogene Linie zeigt, dass zu

Beginn nach dem Einschalten der Druckluft die Spannung sukzessive ansteigt und beispielsweise nach ca. 1,5

Sekunden bei Erreichen der am Spannungsregler 57

eingestellten Spannung von 5 Volt konstant verläuft. Würde die Spannung durch höhere Drehzahl an der Welle 49 nicht vom Spannungsregler 57 konstant gehalten, würde die

Spannung mit der Drehzahl beispielsweise bis auf gegen 25 Volt ansteigen und dadurch den Mikrocontroller 37

beschädigen oder zumindest ausser Betrieb setzen. In der Figur 6 wird der Schaltzustand des Regelventils 27 grafisch dargestellt. Zu Beginn in der Startphase, wenn das Regelventil 21 die Zufuhr von Druckluft zum

Hauptventil 5 geschlossen hält, weil der Elektromagnet 33 vom Generator 43 noch spannungsfrei ist, verbleibt dieses in der Ausgangsstellung. Sobald, wie in Figur 5

dargestellt, die Spannung am Generator 43 beispielsweise 5 Volt erreicht hat, schaltet das Regelventil 27 auf die Offenstellung, weil es durch den Elektromagnet 33 im

Uhrzeigersinn geschwenkt wird. Würde das Regelventil 27 dauernd in Offenstellung gehalten, so würde, wie in Figur 1 dargestellt, die Drehzahl über die gewünschte bzw.

eingestellte Drehzahl hinaus und allenfalls über die maximale Drehzahl ansteigen. Durch oszillierendes

Verhalten des Regelventils 27 gemäss Figur 6 kann die eingestellte Drehzahl aufrechterhalten werden. Die Figuren 9 bis 13 zeigen den Verlauf der Drehzahl der Welle 49, die Gleichspannung nach dem Spannungsregler 57 und den Schaltzustand des Elektromagneten 33, wo in Figur 11 deutlich ersichtlich ist, dass bei Abfall der Drehzahl an der Welle 49, beispielsweise durch eine entsprechende angreifende Last, durch das Regelventil 27 die

Druckluftzufuhr in den Kopfraum 17 des Hauptventils 5 länger geöffnet ist als bei unveränderter Drehzahl, um den Drehzahlabfall zu kompensieren und danach das Öffnen und Schliessen der Druckzufuhr in einem geänderten Rhythmus erfolgt .

In Figur 12 ist an der Stelle der Belastung der Welle 49 dargestellt, wie der Öffnungsquerschnitt zu mindestens einem der Zuführkanäle 61, 61' kurzfristig vergrössert und dann über eine bestimmte Zeit, solange ein höheres

Drehmoment erforderlich ist, auf diesem erhöhten

Querschnitt gehalten wird, bis die Last entfällt und die Drehzahl bzw. das Drehmoment abgesenkt werden kann. In der Figur 13 ist entsprechend der Drehmomentverlauf

ersichtlich.

Die Erfassung der Drehzahl erfolgt gemäss den Figuren 2a, 2b und 3a, 3b durch den Sensor 75, welcher als separat angeordnetes Teil als Hallsensor ausgebildet ist. In der Ausführung gemäss den Figuren 2d und 3d erfolgt die

Drehzahlmessung anhand des Wechselstrom-Signals des

Generators 43, indem die aufsteigenden Flanken des Wechselstrom-Signals detektiert und aus der Zeitdifferenz die Drehzahl errechnet wird.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung der Drehzahl der Abtriebswelle (49) an einem mit Druckluft angetriebenen Werkzeug, wobei mit einem von der Druckluft angetriebenen

Generator (43) im Werkzeug eine Wechsel-Spannung erzeugt wird, mit der ein elektromagnetisches

Regelglied (27) aktivierbar ist, mit welchem die Luftmenge für den Antrieb eines Turbinenrads (51) auf der Abtriebswelle (49) regelbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Wechsel-Spannung in einem Gleichrichter (55) in eine Gleichspannung umgewandelt wird,

dass die Gleich-Spannung durch einen Spannungsregler

(57) unabhängig von der Drehzahl der Abtriebswelle

(49) konstant gehalten wird,

dass mit der konstanten Gleich-Spannung ein

MikroController (37) gespeist wird,

dass mit einem Drehzahlsensor (75) die momentane Drehzahl der Abtriebswelle (49) erfasst wird und dass der MikroController (37) mit dem

elektromagnetisch angetriebenen Regelventil (27) die dem Turbinenrad (51) zugeführte Luftmenge regelt und die eingestellte vorgegebene Drehzahl der Welle (49) konstant hält. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der vom Regelventil (27) geregelten Luftmenge ein Hauptventil (5), das in einer Bohrung (7) im

Gehäuse (1) des Werkzeugs verschiebbar eingesetzt ist, der Luftzufluss zum Turbinenrad (51) geregelt wird, indem beim Verschieben des Hauptventils (5) ein oder mehrere Zuführkanäle (61,61') für die Druckluft ganz oder teilweise freilegt werden, wodurch die Luftmenge am Turbinenrad (51) bei einer Erhöhung der Last an der Antriebswelle (49) vergrössert wird und die

vorgegebene Drehzahl aufrechterhalten wird.

3. Druckluftgetriebenes Werkzeug mit einem

Antriebsgehäuse (1), umfassend ein Turbinenrad (51) für den Antrieb der Abtriebswelle (49), einen

Lufteinlasskanal (3) für Druckluft und einen

Abluftkanal (73) , einen im Zuluftstrom für die

Druckluft eingesetzten Generator (43) für die

Erzeugung einer elektrischen Wechsel-Spannung und einen Gleichrichter (55) für den Betrieb eines

MikroControllers (37),

gekennzeichnet durch einen Spannungsregler zur

Erzeugung einer von der Drehzahl der Welle (49) unabhängigen konstanten Ausgangsspannung für den

Betrieb des MikroControllers (37) für die Steuerung eines Stellglieds (27) für die Betätigung eines Hauptventils (5) anhand der Messdaten

Drehzahlsensors (75) an der Welle (49)

Druckluftgetriebenes Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (43) auf der

Abtriebswelle (49) oder auf einer von der Welle (49) unabhängigen zweiten Welle in einem Bypass angeordnet ist .

Druckluftgetriebenes Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsgehäuse (1) eine das Hauptventil (5) aufnehmende Bohrung (7) ausgebildet ist, dass die Bohrung (7) durch einen Lufteinlass (3) mit einer Druckluftquelle verbindbar ausgebildet ist, und dass mit einem Druckkanal (25) und mit einem ersten Entlüftungskanal (19) die Bohrung (7) mit einem Ventilraum (21) verbunden ist, dass im Ventilraum (21) ein elektromagnetisch ansteuerbares Regelventil (27) zum Öffnen und zum Schliessen des Druckkanals (25) oder zum Schliessen eines zweiten Entlüftungskanals (23) eingesetzt ist, wobei das Regelventil (27) in Abhängigkeit der Drehzahl der Welle (49), gemessen mit dem Drehzahlsensor (75), regelbar ist.

Druckluftgetriebenes Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (5) zwischen einem Kopfraum (17) und einem druckfreien Raum (14) in der Bohrung (7) verschiebbar geführt ist.

7. Druckluftgetriebenes Werkzeug nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilraum

(21) durch den ersten Entlüftungskanal (19) mit dem bodenseitigen Kopfraum (17) am Boden des Hauptventils (5) verbunden ist.

Druckluftgetriebenes Werkzeug nach einem der Ansprüche

5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilraum (21) durch den zweiten Entlüftungskanal (23) mit der Umgebung verbunden ist.

Druckluftgetriebenes Werkzeug nach einem der Ansprüche

6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (5) einen ersten (9) und beabstandet dazu einen zweiten flanschförmigen Dichtbereich (11) umfasst, deren Mantelflächen dichtend an der Wand der Bohrung (7) gleitbar anliegen und dass in einem druckfreiem Raum (14) in der Bohrung (7) eine Schraubenfeder (13) zwischen dem Hauptventil (5) und einer die Bohrung (7) stirnseitig begrenzenden Wand eingesetzt ist.

10. Druckluftgetriebenes Werkzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dichtbereich (9) das Hauptventil (5) kopfseitig zur Bohrung (7) dichtend führt, dass der zweite Dichtbereich (11) derart angeordnet ist, dass die erste Einmündung in die Bohrung (7) eines ersten Zuführkanals (61) teilweise und die Einmündung eines zweiten

Zuführkanals (61') ganz verschliesst , wenn das

Hauptventil (5) köpf- bzw. druckraumseitig drucklos liegt .

Druckluftgetriebenes Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlasskanal (3) und/oder der erste (61) und/oder der zweite

Zuführkanal (61') je in eine Ringnut (65) bzw. einen ersten Einstich (67) oder einen zweiten Einstich (69) am Hauptventil (5) einmünden.

Druckluftgetriebenes Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zuführkanäle (61,61') in einen Schaufelraum (63) eines Turbinenrads (51) münden.

Druckluftgetriebenes Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (27) im Ventilraum (21) derart schwenkbar gelagert ist, dass entweder der Druckkanal (25) oder der zweite Lüftungskanal (23) durch einen mit einem Elektromagnet (33) betätigtes am Regelventil (27) angebrachte

Dichtelemente (28,30) verschliessbar sind. Druckluftgetriebenes Werkzeug nach einem der Ansprüche 3-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlmessung durch das Wechselstromsignal errechnet wird, indem die Zeitdifferenz der aufsteigenden Flanken detektiert wird .