DE102011105306A1

DE102011105306A1 - Tragbares Werkzeug mit drahtloser Messwertübertragung

Info

Publication number: DE102011105306A1
Application number: DE102011105306A
Authority: DE
Inventors: Manuel Rieger; Achim Kugler; Andreas Fluhrer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-27
Also published as: US20120325507A1; SE537546C2; SE1250624A1; CN102944345B; CN102944345A

Abstract

Tragbares Werkzeug (1), insbesondere Schraubwerkzeug (1) mit einem elektromotorischen Antrieb (6) und einem um eine vorgegebene Achse drehbaren Abtriebskörper (4), mit einer Erfassungseinrichtung (2), welche wenigstens einen physikalischen Messwert erfasst, der für den Abtriebsvorgang mit dem Abtriebskörper (4) charakteristisch ist und mit einer Übertragungseinrichtung (10), welche den physikalischen Parameter berührungslos von einem drehenden Bereich des Werkzeugs auf einen stehenden Bereich (54, 56) des Werkzeugs (1) überträgt, wobei die Übertragungseinrichtung (10) eine Rotorspule (12) und eine Statorspule (14) aufweist und sich die Rotorspule (12) gegenüber der Statorspule (14) dreht. Erfindungsgemäß ist die Statorspule (14) in einem Bereich zwischen der Statorspule (14) und der Rotorspule (12) trägerfrei ausgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein tragbares Werkzeug und insbesondere ein tragbares Schraubwerkzeug. Derartige tragbare Werkzeuge sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt, beispielsweise in Form von Handschraubern, Akkuschraubern oder auch Handbohrern.
Im Stand der Technik sind ebenfalls solche Werkzeuge bekannt, welche eine drahtlose Messsignalübertragung, beispielsweise die Übertragung von gemessenen Drehmomentdaten, von einem drehenden Bereich des Werkzeugs auf einen stehenden Bereich des Werkzeugs aufweisen. So beschreibt die EP 2 246 680 A2 ein Elektrowerkzeug mit einer berührungslosen Drehmomentmesseinrichtung und ein Verfahren zum Messen des Drehmoments bei einem Elektrowerkzeug. Dabei ist eine erste Spule vorgesehen sowie eine zweite an der Antriebswelle oder der Motorwelle angeordnete Spule, die mit einem Drehmomentsensor gekoppelt ist.
Damit erlaubt diese Vorrichtung eine berührungslose Signalübertragung, die in Messwertgebern für stationäre Werkzeuge eingesetzt wird. Diese Art der Signalübertragung weist jedoch den Nachteil auf, dass sie relativ viel Bauraum beansprucht und daher für tragbare Geräte eher ungeeignet ist. Daneben erfordern derartige Übertragungseinrichtungen auch sehr stabile Lagereinrichtungen, um den sehr geringen Spalt zwischen den beiden besagten Spulen auch unter Belastung aufrecht zu erhalten, bzw. um auch im Betrieb einen Kontakt zwischen den beiden Spulen zu vermeiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein tragbares Werkzeug zur Verfügung zu stellen, welches eine Übertragung von Messwerten, wie beispielsweise Drehmomentdaten, erlaubt.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes tragbares Werkzeug und insbesondere ein Schraubwerkzeug weist einen elektromotorischen Antrieb auf sowie einen um eine vorgegebene Achse drehbaren Abtriebskörper, der insbesondere zur Durchführung eines Arbeitsvorgangs dient. Weiterhin weist das Werkzeug eine Erfassungseinrichtung auf, welche wenigstens einen physikalischen Parameter (bzw. einen Messwert) erfasst, der für diesen Abtriebsvorgang mit dem Abtriebskörper charakteristisch ist sowie eine Übertragungseinrichtung, welche den physikalischen Parameter bzw. ein für diesen Parameter charakteristisches Signal berührungslos bzw. drahtlos von einem drehenden Bereich des Werkzeugs auf einen stehenden Bereich des Werkzeugs überträgt. Dabei weist diese Übertragungseinrichtung eine Rotorspule und eine Statorspule auf, wobei sich die Rotorspule gegenüber der Startorspule dreht.
Erfindungsgemäß ist die Startorspule in einem Bereich zwischen der Statorspule und der Rotorspule trägerfrei ausgeführt.
Es wird daher vorgeschlagen, für die Statorspule bzw. allgemein die radial bezüglich einer Drehachse außen angeordnete Spule eine sogenannte statorlose Spule vorzusehen. Diese statorlose Spule, die auch als Luftspule bezeichnet werden kann, dient hier für die berührungslose Signalübertragung.
An dem besagten Abtriebskörper kann beispielsweise ein Kopf, wie beispielsweise ein Schraubkopf, angeordnet sein. Unter einer trägerfreien Ausbildung der Spule wird verstanden, dass insbesondere kein Träger vorgesehen ist, der die Spule von der radialen Innenseite her trägt. Durch den Verzicht auf einen derartigen Träger ist es möglich, den Abstand zwischen den beiden Spulen, die zur berührungslosen Signalübertragung genutzt werden, zu vergrößern. Auf diese Weise kann die Prozesssicherheit, insbesondere für den Einsatz in akku- oder netzteilbetriebenen Werkzeugen für die mobile Schraubtechnik verbessert werden. Genauer kann durch den Entfall des besagten Spulenträgers für die Statorspule eine Berührung zwischen den beiden Spulen auch ausgeschlossen sein und durch die Vergrößerung des Luftspalts kann auch auf aufwendige Lagereinrichtungen verzichtet werden. Unter dem stehenden Bereich des Werkzeugs wird dabei insbesondere ein solcher Bereich verstanden, der sich nicht gegenüber etwa einer Hand des Benutzers, die das Werkzeug hält, bewegt, wie insbesondere ein Gehäusebereich oder fest gegenüber dem Gehäuseteil angeordnete Elemente, wie beispielsweise die Statorspule und dergleichen. Bevorzugt ist der Abtriebskörper dabei einteilig mit einer Messwelle, ausgebildet, welche den physikalischen Parameter bzw. Messwert erfasst. Bei dem Messwert kann es sich unmittelbar um einen erfassten Wert handeln, es wäre jedoch auch möglich, Signale zu übertragen, welche aus dem Messwert abgeleitet sind und welche insbesondere auch charakteristisch für diesen Messwert sind.
Weiterhin ist es möglich, den Energiebedarf bei gleicher Signalleistung zu reduzieren, da zwei Spulen, die zur berührungslosen Signalübertragung genutzt werden, durch die Ausführung der Statorspule als Luftspule näher zueinander angeordnet werden können. Damit wird die Vergrößerung des Spalts zwischen den beiden genannten Spulen, die zur berührungslosen Signalübertragung genutzt werden, durch den Einsatz einer sogenannten Luftspule realisiert. Es wird daher insbesondere auf den Statorspulenträger verzichtet.
Allgemein handelt es sich bei den beiden Spulen um eine drehende Signalübertragungseinrichtung und um eine stehende Signalübertragungseinrichtung, welche insbesondere induktive Signale übertragen.
Vorteilhaft ist ein radialer Luftspalt zwischen der Rotorspule und der Statorspule > 0,2 mm, bevorzugt > 0,4 mm, bevorzugt > 0,5 mm und besonders bevorzugt > 0,6 mm. Vorteilhaft kann damit der Luftspalt auf beispielsweise 0,7 mm erhöht werden, womit die Prozesssicherheit erhöht wird, da eine Berührung der beiden Spulen unwahrscheinlicher wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Startorspule an einem Träger angeordnet, wobei dieser Träger wenigstens teilweise radial außerhalb der Statorspule angeordnet ist. Insbesondere kann die Statorspule in einem radial äußeren Träger, beispielsweise einem Gehäuse oder Trägerteil, angeordnet bzw. darin vergossen oder verbacken sein.
Vorteilhaft ist daher die Statorspule in ein Trägermaterial eingegossen. Der Halt der Trägerspule wird daher durch eine Halteeinrichtung gewährleistet, welche die Statorspule von radial außen her hält.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Trägermaterial um ein Gießharz. Bevorzugt ist die Statorspule mit einem Wepox-Gießharz (VT3000) vergossen, welches auf der Basis von Epoxidharz gebildet ist. Durch die Verwendung eines derartigen Harzes ist es möglich, dass nur eine geringe Wärmeentwicklung entsteht und auch ein geringer Schrumpfdruck.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Statorspule mittels einer Lagereinrichtung und insbesondere mittels eines Kugellagers gegenüber einem drehenden Bereich des Werkzeugs (insbesondere einer Abtriebswelle oder Messwelle) gelagert. Weiterhin weist das Werkzeug vorteilhaft eine Speichereinrichtung auf, welche beispielsweise zur Speicherung der Kalibrierdaten der Messwelle bzw. des Abtriebskörpers (eventuell mit der Baugruppe Luftspule) dient. So kann beispielsweise eine Platine mitsamt eines sogenannten EEPROMs vorgesehen sein. Diese Platine kann in die Gesamtbaugruppe der Luftspulen integriert sein. Durch die oben erwähnte Verbindung der Luftspule mit der Messwelle durch ein Kugellager kann erreicht werden, dass der Abstand zwischen den beiden Spulen nicht variieren kann. Dies könnte auftreten, wenn die Statorspule direkt in beispielsweise die Halbschalen von akku- bzw. netzteilbetriebenen Werkzeugen, insbesondere für die mobile Schraubtechnik, eingegossen wäre.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der physikalische Parameter aus einer Gruppe von Parametern ausgewählt, welche Drehmomente, Drehzahlen, Drehwinkel, elektrische Ströme, elektrische Spannungen, Kombinationen hieraus und dergleichen enthält. Vorteilhaft handelt es sich bei der Erfassungseinrichtung um eine Drehmomenterfassungseinrichtung, die beispielsweise einen Dehnmessstreifen enthalten kann und welche zur Erfassung der übertragenen Drehmomente des Abtriebskörpers bzw. der Messwelle dient. Bevorzug handelt es sich bei dem physikalischen Parameter bzw. Messwert um einen solchen Parameter oder Messwert, der sich im Arbeitsbetrieb ändert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Werkzeug eine Energiespeichereinrichtung zum Betreiben des elektromotorischen Antriebs auf. So ist insbesondere eine Batterie bzw. ein Akku vorgesehen, der es ermöglicht, dass das Werkzeug selbst ohne eine Stromleitung betrieben werden kann.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Werkzeug eine Empfangseinrichtung zum drahtlosen Empfang von Steuerdaten zum Steuern des Werkzeugs auf. So kann beispielsweise von einer Zentraleinheit eine Vorgabe eines maximalen Drehmomentes erfolgen. Weiterhin weist das Werkzeug vorteilhaft auch eine Signalausgabeeinrichtung zum drahtlosen Senden von Steuerdaten auf. So können beispielsweise die gemessenen Ist-Drehmomentwerte an eine zentrale Steuereinrichtung ausgegeben werden und diese kann in Reaktion auf diese Werte das Drehmoment bzw. eine Stromzufuhr zu dem Antrieb steuern.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Werkzeug daher auch eine Steuereinrichtung zum Steuern des Arbeitsvorgangs, beispielsweise eines Schraubvorgangs, auf. Die Steuereinrichtung ist daher vorteilhaft geeignet, um den Schraubvorgang auf Basis des oben genannten (insbesondere gemessenen) physikalischen Parameters zu steuern.
Bevorzugt weist das Werkzeug eine Messeinrichtung zum Messen des physikalischen Parameters auf. Diese Messeinrichtung ist dabei vorteilhaft im Arbeitsbetrieb drehend angeordnet.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Übertragungseinrichtung zur drahtlosen und insbesondere induktiven Übertragung eines physikalisches Messwerts bzw. Parameters eines Schraubvorgangs gerichtet, welche eine bezüglich einer vorgegebenen Drehachse drehbar angeordnete Rotorspule aufweist, welche als Sendeeinrichtung für den physikalischen Parameter dient sowie eine drehfest angeordnete Statorspule, welche als Empfangseinrichtung für den physikalischen Parameter dient. Dabei ist eine der Spulen, und insbesondere die Rotorspule, in einer bezüglich der Drehachse radialen Richtung innerhalb der anderen Spule angeordnet.
Erfindungsgemäß ist ein Träger der radial außen liegenden Spule, insbesondere der Statorspule, derart ausgebildet, dass ein Raum zwischen den beiden Spulen im Wesentlichen trägerlos bleibt. Auf diese Weise kann, wie oben erwähnt, der Spalt zwischen den beiden Spulen erhöht werden.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen: Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs;
2 eine Schnittdarstellung einer Erfassungseinheit; und
3 eine perspektivische Darstellung der Erfassungseinheit.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen tragbaren Werkzeugs 1. Dieses tragbare Werkzeug weist dabei eine (nicht gezeigte) Antriebseinrichtung, wie einen Elektromotor auf, der über ein (nicht gezeigtes) Getriebe, eine in der Gesamtheit mit 4 bezeichnete Abtriebswelle 4 drehend um eine Drehachse D antreibt. Diese Abtriebswelle fungiert hier auch als Messwelle zum Messen physikalischer Parameter, wie insbesondere eines Drehmoments. Weiterhin weist das Werkzeug einen in der Gesamtheit mit 2 bezeichnete Erfassungseinrichtung auf, welche einen physikalischen Parameter eines Arbeitsvorgangs erfasst. Hier weist diese Erfassungseinrichtung 2 einen Dehnmessstreifen 28 auf, mit dessen Hilfe ein Drehmoment, beispielsweise ein übertragenes Drehmoment, erfasst werden kann. Diese Abtriebswelle 4 ist dabei gegenüber einem Gehäuseteil 52, der topfartig ausgebildet sein kann, drehbar gelagert. Das Bezugszeichen 42 bezieht sich auf einen Abtriebskopf, an dem beispielsweise ein Schraubmittel angeordnet sein kann Das Bezugszeichen 18 kennzeichnet grobschematisch eine elektrische Übertragungsleitung zum Übertragen der elektrischen Signale an eine in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Übertragungseinrichtung, welche die gemessenen Werke drahtlos von dem drehenden Bereich des Abtriebskörpers 4 auf einen stationären Bereich des Werkzeugs überträgt. Das Bezugszeichen 30 kennzeichnet den stehenden Bereich des Werkzeugs in seiner Gesamtheit.
Diese Erfassungseinrichtung 10 weist dabei eine Rotorspule 12 auf, die an einem Träger 22 angeordnet ist.
Das Bezugszeichen 14 kennzeichnet eine Statorspule, die, wie eingangs erwähnt, trägerlos bzw. als Luftspule ausgeführt ist und von einer Halteeinrichtung 16 gehalten wird, beispielsweise in diese Halteeinrichtung eingegossen ist. Das Bezugszeichen 30 kennzeichnet ein stationäres Gehäuseteil, an dem beispielsweise auch die Statorspule 14 angeordnet sein kann. Die Spule 14 kann dabei als Doppelwicklung mit zwei Drähten ausgeführt sein, die beispielsweise auf eine Platine gelötet werden können. Das Bezugszeichen S kennzeichnet einen Spalt, der zwischen der Statorspule 14 und der Rotorspule 12 ausgebildet wird. Dieser ist durch die trägerlose Ausgestaltung der Statorspule größer als im Stand der Technik.
Das Bezugszeichen 54 kennzeichnet eine Speichereinrichtung wie ein EEPROM. Diese Speichereinrichtung 54 ist dabei auf einer Platine 56 angeordnet.
Diese Platine kann dabei auch als Einheit mit der Trägereinheit 16 für die Rotorspule 14 ausgebildet sein.
Neben den Lagern 32 sind (schematisch) weitere Lager 36 dargestellt, welche ebenfalls den Abtriebskörper 4 drehbar lagern. Das Bezugszeichen 44 kennzeichnet elektrische Leitungen, welche das Signal der Rotorspule 14 weiterleiten. Das Bezugszeichen 38 kennzeichnet (ebenfalls nur grob schematisch) in seiner Gesamtheit ein Getriebe, welches zwischen einer (insbesondere elektrischen) Antriebseinrichtung 6 und dem Abtriebskörper 4 zwischengeschaltet ist und welches bevorzugt eine Drehgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung herunterschaltet.
2 zeigt eine weitere Darstellung der Übertragungseinrichtung 10. Man erkennt hier wiederum die Rotorspule 14, die an der Halteeinrichtung 16 angeordnet ist. Auch ist hier die Speichereinrichtung 54 dargestellt, die an der Halte- bzw. Trägereinrichtung 16 angeordnet sein kann.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung der Übertragungseinrichtung 10. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 64 auf eine Anschlusseinrichtung zum Abnehmen der gemessenen Werte, wobei an dieser Stelle auch eine kabellose bzw. drahtlose Übertragungseinrichtung vorgesehen sein kann, welche die Messwerte per Funk an eine Zentraleinheit (nicht gezeigt) überträgt. Das Bezugszeichen 62 kennzeichnet eine Öffnung, mittels derer ein Gehäuseteil, der beispielsweise die Statorspule tragen kann, mit dem Gehäuseteil 60 verschraubt werden kann.
Die Anmelderin behält sich vor, sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1: tragbares Werkzeug
2: Erfassungseinrichtung
4: Abtriebswelle
6: Antriebseinrichtung
10: Übertragungseinrichtung
12: Rotorspule
14: Statorspule
16: Halteeinrichtung
18: elektrische Übertragungsleitung
22: Träger
28: Dehnmessstreifen
30: stehender Gehäuseteil
32: Lager
36: weitere Lager
38: Getriebe
42: Abtriebskopf
44: elektrische Leitungen
52: Gehäuseteil
54: Speichereinrichtung
56: Platine
60: Gehäuseteil
62: Öffnung
64: Anschlusseinrichtung
D: Drehachse
S: Spalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2246680 A2 [0002]

Claims

Tragbares Werkzeug (1), insbesondere Schraubwerkzeug (1) mit einem elektromotorischen Antrieb (6) und einem um eine vorgegebene Achse drehbaren Abtriebskörper (4), mit einer Erfassungseinrichtung (2), welche wenigstens einen physikalischen Messwert erfasst, der für den Abtriebsvorgang mit dem Abtriebskörper (4) charakteristisch ist und mit einer Übertragungseinrichtung (10), welche den physikalischen Messwert berührungslos von einem drehenden Bereich des Werkzeugs auf einen stehenden Bereich (30) des Werkzeugs (1) überträgt, wobei die Übertragungseinrichtung (10) eine Rotorspule (12) und eine Statorspule (14) aufweist und sich die Rotorspule (12) gegenüber der Statorspule (14) dreht, dadurch gekennzeichnet; dass die Statorspule (14) in einem Bereich zwischen der Statorspule (14) und der Rotorspule (12) trägerfrei ausgeführt ist.
Tragbares Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Luftspalt zwischen der Rotorspule (12) und der Statorspule (14) größer ist als 0,2 mm, bevorzugt größer als 0,4 mm, bevorzugt größer als 0,5 mm und besonders bevorzugt größer als 0,6 mm.
Tragbares Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule an einem Träger (16) angeordnet ist, welcher Träger wenigstens teilweise radial außerhalb der Statorspule angeordnet ist.
Tragbares Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule (14) in ein Trägermaterial eingegossen ist.
Tragbares Werkzeug (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein Gießharz ist.
Tragbares Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule (14) mittels einer Lagereinrichtung und insbesondere mittels eines Kugellagers gegenüber einem drehenden Bereich des Werkzeugs gelagert ist.
Tragbares Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Messwert aus einer Gruppe von Messwerten ausgewählt ist, welche Drehmomente, Drehzahlen, Drehwinkel, elektrische Ströme, elektrische Spannungen, Kombinationen hieraus und dergleichen enthält.
Tragbares Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) eine Energiespeichereinrichtung zum Betreiben des elektromotorischen Antriebs aufweist.
Tragbares Werkzeug (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Empfangseinrichtung zum drahtlosen Empfang von Steuerdaten zum Steuern des Werkzeugs (1) aufweist.
Übertragungseinrichtung (10) zur drahtlosen und insbesondere induktiven Übertragung eines physikalischen Messwerts eines Schraubvorgangs mit einer bezüglich einer vorgegebenen Drehachse (D) drehbar angeordneten Rotorspule (12) welche als Sendeeinrichtung für den physikalischen Messwert dient und eine drehfest angeordneten Statorspule (14), welche als Empfangseinrichtung für den physikalischen Parameter dient, wobei eine der Spulen (12, 14) in einer bezüglich der Drehachse (D) radialen Richtung innerhalb der anderen Spule (14, 12) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger der radial außenliegenden Spule derart ausgebildet ist, dass ein Rahm zwischen den beiden Spulen (12, 14) im Wesentlichen trägerlos bleibt.