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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung, insbesondere eine Handwerkzeugmaschinenschaltvorrichtung, mit zumindest einem Schaltelement zu einer Umschaltung zwischen zumindest zwei Betriebsarten, und mit zumindest einer Sensoreinheit, die zumindest ein Sensorelement umfasst, vorgeschlagen worden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung, insbesondere einer Handwerkzeugmaschinenschaltvorrichtung, mit zumindest einem Schaltelement zu einer Umschaltung zwischen zumindest zwei Betriebsarten, und mit zumindest einer Sensoreinheit, die zumindest ein Sensorelement umfasst.
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Es wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Sensorelement zumindest zu einer Erfassung von zumindest einer Kenngröße vorgesehen ist, die zumindest im Wesentlichen indirekt abhängig von einer Position des Schaltelements ist und die zumindest eine der Betriebsarten charakterisiert.
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Unter einer „Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung“ soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, die zwischen verschiedenen Betriebsarten einer Werkzeugmaschine umschaltet, wobei die verschiedenen Betriebsarten insbesondere von zumindest zwei unterschiedliche Zuständen gebildet sind, in denen die Werkzeugmaschine betrieben wird. Beispielsweise können die verschiedenen Betriebsarten von einer reinen Meißelbetriebsart eines Bohrhammers und einer Bohrbetriebsart, in der ein Hammerrohr zusätzlich in eine Drehbewegung versetzt wird, gebildet sein. Alternativ können die verschiedenen Betriebsarten von einer reinen Bohrbetriebsart und einer Schlagbohrbetriebsart eines Schlagbohrhammers, in der zusätzlich zu der Drehung des Hammerrohrs ein Schlag erzeugt wird, gebildet sein. Unter einem „Schaltelement“ soll insbesondere ein Element verstanden werden, das zu einer Einstellung einer Betriebsart vorgesehen ist, insbesondere ein von einem Benutzer betätigbares Element, beispielsweise ein drehbarer oder schiebbarer Schalter, und/oder ein Element, das in unterschiedlichen Stellungen unterschiedliche Elemente einer Werkzeugmaschine zu einer Einstellung der unterschiedlichen Betriebsarten koppelt, beispielsweise ein Schaltring, der positionsabhäng ein Hammerrohr an einen sich drehenden Motor koppelt oder entkoppelt. Unter einer „Sensoreinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, die zur Sensierung von zumindest einer Kenngröße vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit über zumindest ein Datenübertragungselement, das sensierte Werte der Kenngröße leitungsgebunden oder leitungslos überträgt, mit einer Einheit verbunden, welche die sensierten Werte verarbeitet, beispielsweise eine Auswerteeinheit oder eine Steuer- und/oder Regeleinheit der Werkzeugmaschine. Die Sensoreinheit umfasst insbesondere zumindest ein Sensorelement zu einer Sensierung der Kenngröße. Das Sensorelement kann beispielsweise als ein akustisches Sensorelement, ein optisches Sensorelement, ein kapazitives Sensorelement, ein Vibrationssensorelement oder eine weiteres, einem Fachmann als geeignet erscheinendes Sensorelement zu einer Sensierung der Kenngröße ausgebildet sein. Unter einem „Schaltzustand des Schaltelements“ soll insbesondere eine relative Position des Schaltelements zu anderen Elementen und/oder ein taktil, elektronisch oder auf sonstige Weise detektierter Betätigungszustand des Schaltelements, beispielsweise ein taktil oder kapazitiv erfasstes Betätigen eines Touch-Bedienelements oder ein erfasstes Schließen eines Stromkreises durch Betätigung des Schaltelements, verstanden werden. Unter einer „Kenngröße, die zumindest im Wesentlichen unabhängig von einem Schaltzustand des Schaltelements ist“ soll insbesondere eine Kenngröße verstanden werden, die von dem jeweiligen Betriebszustand, der durch das Schaltelement eingestellt wird, abhängig ist, die jedoch verschieden von einer Positionskenngröße oder einer Abstandskenngröße zwischen zumindest einem Teilelement des Schaltelements und einer festen Position ist. Insbesondere ist die Kenngröße, die zumindest im Wesentlichen unabhängig von einem Schaltzustand des Schaltelements ist, verschieden von einer relativen Position des Schaltelements. Insbesondere ist die Kenngröße, die zumindest im Wesentlichen unabhängig von einem Schaltzustand des Schaltelements ist, von einer Leistungskenngröße der Werkzeugmaschine gebildet. Darunter, dass die „Kenngröße zumindest eine der Betriebsarten charakterisiert“ soll insbesondere verstanden werden, dass die Kenngröße in unterschiedlichen Betriebsarten unterschiedliche Werte aufweist, wobei ein Unterschied der Werte der Kenngröße zwischen den unterschiedlichen Betriebsarten deutlich größer ist als Schwankungen der Werte der Kenngröße um einen Mittelwert der Kenngröße bei einem Betrieb der Werkzeugmaschine, und/oder dass die Kenngröße in einem Betriebszustand einen Wert von Null aufweist, in zumindest einem anderen Betriebszustand jedoch einen von Null verschiedenen Wert aufweist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung kann insbesondere ein mechanisches oder elektrisches Element, welches eine Position des Schaltelements direkt detektiert und somit an einer ungünstigen Position angeordnet ist, eingespart werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Sensorelement als Vibrationssensorelement ausgebildet ist. Unter einem „Vibrationssensorelement“ soll insbesondere ein Sensorelement verstanden werden, das Vibrationen der Werkzeugmaschine sensiert, insbesondere durch Sensierung einer auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft. Das Vibrationssensorelement kann beispielsweise als Mikro-Elektro-Mechanisches-System mit einem Feder-Masse-System aus einer Siliziummasse und Siliziumstegen mit wenigen µm Durchmessern ausgebildet sein, wobei die Beschleunigung durch eine Änderung einer Kapazität durch Auslenkung der Siliziummasse, die gefedert aufgehängt ist, gemessen wird. Alternativ kann das Vibrationssensorelement beispielsweise als piezokeramisches Druckplättchen ausgebildet sein, bei dem Beschleunigungen durch Druckeinwirkung auf eine Piezokeramik ein elektrisches Signal durch einen piezoelektrischen Effekt erzeugen. Insbesondere sind unterschiedliche Vibrationen durch unterschiedliche Leistungsabgaben eines Werkzeugmaschinenmotors hervorgerufen. Es kann insbesondere ein unaufwendiges und kostengünstiges Sensorelement zu einer Sensierung der Kenngröße erreicht werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Sensorelement zu einer Erfassung von Beschleunigungswerten eines Werkzeugmaschinengetriebes vorgesehen ist. Insbesondere ist das zumindest eine Sensorelement als Vibrationssensorelement ausgebildet und erfasst die Beschleunigungswerte des Werkzeugmaschinengetriebes aufgrund eines durch eine Bewegung des Werkzeugmaschinengetriebes in der Werkzeugmaschine erzeugten Vibrationssignals. Es kann insbesondere ein einfach erfassbare und für die Betriebsarten charakteristische Kenngröße erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung zumindest eine Auswerteeinheit umfasst, die zur Bestimmung der zumindest einen Betriebsart aus der erfassten Kenngröße vorgesehen ist. Unter einer „Auswerteeinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, die zumindest eine Recheneinheit zu einer Auswertung empfangener Kenngrößen mittels eines Betriebsprogramms und zumindest eine Speichereinheit mit dem zumindest einem Betriebsprogramm umfasst. Es kann insbesondere eine vorteilhafte Funktionsintegration erreicht werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Auswerteeinheit die erfasste Kenngröße mittels einer Fourier-Transformation in ein Frequenzspektrum auswertet. Unter einer „Fourier-Transformation“ soll insbesondere eine Realisierung eines mathematischen Verfahrens verstanden werden, mittels dem ein kontinuierliches Signal in ein Frequenzspektrum zerlegt wird, insbesondere ein Fast-Fourier-Transform-Algorithmus, eine diskrete Fourier-Transformation oder eine Kurzzeit-Fourier-Transformation. Darunter, dass die „Auswerteeinheit die erfasste Kenngröße mittels einer Fourier-Transformation in ein Frequenzspektrum auswertet“ soll insbesondere verstanden werden, dass die Auswerteeinheit die erfasste Kenngröße mittels der Fourier-Transformation in ein Frequenzspektrum umwandelt und zu einer Bestimmung der zumindest einen Betriebsart einzelne Frequenzbereiche des Frequenzspektrums auswertet. Bevorzugt ist die Fourier-Transformation als Fast-Fourier-Transformation ausgebildet. Es kann insbesondere eine technisch einfach realisierbare Auswertung der erfassten Kenngröße erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Auswerteeinheit die zumindest eine Betriebsart durch Vergleich einer Amplitude einer Charakterisierungsfrequenz mit einem Referenzwert bestimmt. Unter einer „Charakterisierungsfrequenz“ soll insbesondere eine Frequenz aus dem Frequenzspektrum der erfassten Kenngröße, welches durch die Fourier-Transformation erzeugt wurde, verstanden werden, wobei sich Amplituden der Charakterisierungsfrequenz in den unterschiedlichen Betriebszuständen um Beträge unterscheiden, welche deutlich größer sind als Amplitudenschwankungen der Charakterisierungsfrequenz in dem jeweilige Betriebszustand. Insbesondere ist der Referenzwert von einem Durchschnittswert oder einem Minimalwert oder einem Maximalwert der Amplitude der Charakterisierungsfrequenz in einem der Betriebszustände gebildet. Beispielsweise ist die Charakterisierungsfrequenz von einer Eingriffsfrequenz zumindest eines von dem Motor angetriebenen Zahnrads und eines Zahnrads, das an einem Hammerrohr angebracht ist, gebildet. Insbesondere unterscheidet sich eine Amplitude der Eingriffsfrequenz in den unterschiedlichen Betriebsarten aufgrund unterschiedlicher Motorleistungen stark. Es kann insbesondere eine mit einem geringen Rechenaufwand realisierbare Bestimmung der zumindest einen Betriebsart erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Auswerteeinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einen Motorleistungswert aus der erfassten Kenngröße zu bestimmen. Insbesondere ist der zumindest eine Motorleistungswert von einer Motordrehzahl gebildet. Es kann insbesondere auf ein separates Erfassungselement zu einer Bestimmung des Motorleistungswerts, beispielsweise ein zur Erfassung einer Ankerdrehzahl des Motors vorgesehenes Magnetband, verzichtet werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, in Abhängigkeit von einer bestimmten Betriebsart zumindest einen Betriebszusatzmodus einzuschalten. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Insbesondere umfasst die Steuer- und/oder Regeleinheit die Auswerteeinheit. Es kann insbesondere eine direkte und unmittelbare Steuerung und/oder Regelung der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit des bestimmten Betriebszustands erreicht werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Betriebszusatzmodus von einem Turbomodus gebildet ist. Unter einem „Turbomodus“ soll insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, in dem eine Motordrehzahl gegenüber einem sonstigen Betriebsmodus deutlich erhöht ist. Insbesondere ist die Motordrehzahl in dem Turbomodus von einer Motordrehzahl nahe an einer maximalen Motordrehzahl gebildet. Insbesondere kann somit eine betriebszustandsrichtige, sicherere Einschaltung des Turbomodus erreicht und ein separates Einstellelement zur Ansteuerung des Turbomodus, beispielsweise ein durch eine Schalterbewegung an eine Steuerelektronik heranzubewegender Magnet, der ein Signal an einen zusätzlichen kapazitiven Sensor der Steuerelektronik zu einer Anschaltung des Turbomodus bewirkt, eingespart werden.
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Ferner wird eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine, mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung vorgeschlagen.
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Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 eine Handwerkzeugmaschine mit einer erfindungsgemäße Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung in einer von einer Bohrbetriebsart gebildeten ersten Betriebsart,
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2 die erfindungsgemäße Handwerkzeugmaschine mit einer Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung in einer von einer Meißelbetriebsart gebildeten zweiten Betriebsart,
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3 ein beispielhaftes Frequenzspektrum bei der ersten Betriebsart der Handwerkzeugmaschine und
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4 ein beispielhaftes Frequenzspektrum der zweiten Betriebsart der Handwerkzeugmaschine.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine als Schlagbohrhammer ausgebildete Handwerkzeugmaschine 10 mit einer Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung 12 mit zwei Schaltelementen 14, 16, zu einer Umschaltung zwischen zwei Betriebsarten, und mit einer Sensoreinheit 20, die ein Sensorelement 22 umfasst. Ein erstes Schaltelement 14 ist von einem drehbaren Handschalter mit zwei Schaltpositionen gebildet, der ein exzentrisch an dem Handschalter angeordnetes zweites Schaltelement 16, das als Schaltring ausgebildet ist, verschiebt. Das zweite Schaltelement 16 koppelt in einer Schaltstellung, die einer ersten, von einem Bohrbetrieb gebildeten Betriebsart zugeordnet ist, ein Hammerrohr 34 an ein Werkzeugmaschinengetriebe 18, so dass das Hammerrohr 34 von einer Drehbewegung eines Motors 28 der Handwerkzeugmaschine 10 mitgenommen wird. In einer Schaltstellung, die einer zweiten, von einem Meißelbetrieb gebildeten Betriebsart zugeordnet ist, ist das als Schaltring ausgebildete Schaltelement 16 zurückgezogen, so dass kein Kontakt zwischen Hammerrohr 34 und Werkzeugmaschinengetriebe 18 besteht und das Hammerrohr 34 feststeht. Die erste Betriebsart wird als Bohrbetrieb, die zweite Betriebsart als Meißelbetrieb bezeichnet. Das Sensorelement 22 ist zu einer Erfassung einer Kenngröße vorgesehen, die im Wesentlichen unabhängig von einem Schaltzustand des Schaltelements 14, 16 ist und die die Betriebsarten charakterisiert. Das Sensorelement 22 ist als Vibrationssensorelement ausgebildet und erfasst Beschleunigungswerte des Werkzeugmaschinengetriebes 18. Beschleunigungen des Werkzeugmaschinengetriebes 18 werden aufgrund einer Kopplung des Werkzeugmaschinengetriebes 18 an ein Gehäuse 50 als Vibrationen durch die gesamte Handwerkzeugmaschine 10 übertragen und können auf diese Weise detektiert werden. Das Sensorelement 22 ist als Mikro-Elektro-Mechanisches-System mit einem Feder-Masse-System aus einer Siliziummasse und Siliziumstegen mit wenigen µm Durchmessern ausgebildet, wobei die Beschleunigung durch eine Änderung einer Kapazität durch Auslenkung der Siliziummasse, die gefedert aufgehängt ist, gemessen wird. Das Sensorelement 22 ist zu einer Erfassung von Beschleunigungswerten eines Werkzeugmaschinengetriebes 18 vorgesehen.
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An dem Gehäuse 50 der Handwerkzeugmaschine 10 sind ein Handgriff 46 und ein Zusatzhandgriff 48 angebracht. Der Motor 28 kämmt mit einer Abtriebswelle mit einem ersten Zahnrad 54, das ein Ritzel zu einer Kontaktierung eines Zahnrads 62 am Hammerrohr 34 bei einer entsprechenden Schaltstellung der Schaltelemente 14, 16 trägt und mit einem zweiten Zahnrad 56 mit einem Exzenterrad, das über ein Pleuel 38 einen Kolben 36 antreibt. Bei der in 1 dargestellten Schaltstellung der Schaltelemente 14, 16 für die Bohrbetriebsart kämmt das Ritzel des Zahnrads 54 mit dem Zahnrad 62 und das Hammerrohr 34 wird gedreht. In der in 2 dargestellten Schaltstellung der Schaltelemente 14, 16 für den Meißelbetrieb ist das Ritzel nicht in Eingriff mit dem Zahnrad 62 und das Hammerrohr 34 wird nicht gedreht. Bei Aufsetzen eines Werkzeugs 44, das in einem Werkzeughalter 42 der Handwerkzeugmaschine 10 gehalten wird, auf ein Werkstück und Andruck der Handwerkzeugmaschine 10 gegen das Werkstück wird über das Werkzeug 44 ein Druck auf eine Steuerhülse 58 ausgeübt, durch den die Steuerhülse 58 in Richtung auf das Hammerrohr 34 zu verschoben wird und dieses an einem Endbereich umgibt. Das Werkzeug 44 ist nun drehfest mit dem Hammerrohr 34 verbunden und wird in dem Bohrbetriebsmodus in Rotation versetzt. Bei Nachlassen des Andrucks gegen das Werkstück drückt ein Federelement 60 die Steuerhülse 58 von dem Hammerrohr 34 weg. Durch eine Aufschiebung der Steuerhülse 58 auf das Hammerrohr 34 werden ferner Leerlauföffnungen 40 verschlossen, sodass sich ein Luftpolster 52 zwischen Kolben 36 und einem in der Steuerhülse 58 geführten Schläger 64 ausbildet, dass eine Bewegung des Kolbens 36 in eine Schlagbewegung des Schlägers 64 und somit in einen Schlag des Werkzeugs 44 umgesetzt wird.
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Die Werkzeugmaschinenschaltvorrichtung 12 umfasst eine Auswerteeinheit 24, die zur Bestimmung der zumindest einen Betriebsart aus der erfassten Kenngröße vorgesehen ist und die in einer Steuer- und/oder Regeleinheit 26, die dazu vorgesehen ist, in Abhängigkeit von einer bestimmten Betriebsart einen Betriebszusatzmodus einzuschalten, integriert ist. Der Betriebszusatzmodus ist von einem Turbomodus, in dem eine Motordrehzahl deutlich erhöht ist, gebildet. Der Turbomodus wird in der Meißelbetriebsart eingesetzt. Die Auswerteeinheit 24 umfasst eine Recheneinheit zu einer Auswertung empfangener Kenngrößen mittels eines Betriebsprogramms und eine Speichereinheit mit dem Betriebsprogramm.
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Die Auswerteeinheit 24 wertet die erfasste Kenngröße mittels einer Fourier-Transformation in ein Frequenzspektrum 30 aus. In 3 ist ein beispielhaftes Frequenzspektrum 30 für die Bohrbetriebsart und in 4 ein beispielhaftes Frequenzspektrum 30 für die Meißelbetriebsart dargestellt. Das Betriebsprogramm der Auswerteeinheit 24 umfasst zu diesem Zweck einen Algorithmus für eine Fast-Fourier-Transformation eines erfassten Vibrationssignals. Die eine Auswerteeinheit 24 bestimmt die Betriebsart durch Vergleich einer Amplitude einer Charakterisierungsfrequenz 32 mit einem Referenzwert. Die Charakterisierungsfrequenz 32 ist von einer Frequenz gebildet, die einer Eingriffsfrequenz eines Motorzahnrads des Motors 28 an einer Abtriebswelle mit dem Zahnrad 56 entspricht. Wie aus einem Vergleich der 3 und 4 zu erkennen ist, unterscheidet sich eine Amplitude bei der Charakterisierungsfrequenz 32 in den beiden Betriebsarten stark voneinander. Zu einer leichteren Erkennbarkeit sind die Amplituden der Charakterisierungsfrequenz 32 in 3 und 4 jeweils durch Umrandung mit einem gestrichelten Kreis hervorgehoben. Alternativ könnte die Charakterisierungsfrequenz beispielsweise von einer Eingriffsfrequenz des Ritzels des Zahnrads 54 und des Zahnrads 62 an dem Hammerrohr 34 gebildet sein. In der Speichereinheit der Auswerteeinheit 24 ist ein Wert der Amplitude der Charakterisierungsfrequenz 32 als Referenzwert hinterlegt, welcher größer ist als ein Maximalwert der Amplitude, die in der Meißelbetriebsart erreicht wird, so dass sich die Betriebsart anhand der Charakterisierungsfrequenz 32 sicher bestimmen lässt. Ein separates Überwachungselement zu einer Bestimmung einer Position der Schaltelemente 14, 16 wird somit eingespart. Ferner wird ein zusätzliches Einschaltelement für den Turbomodus eingespart.
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Die eine Auswerteeinheit 24 ist außerdem dazu vorgesehen, einen von einer Motodrehzahl gebildeten Motorleistungswert aus der erfassten Kenngröße zu bestimmen. Hierzu umfasst das Betriebsprogramm der Auswerteeinheit 24 einen Algorithmus zu einer Auswertung der Frequenzspektren 30, der aus einer Position von Amplitudenmaxima im den Frequenzspektren 30 die Motordrehzahl bestimmt werden. Ein separates Erfassungselement für eine Motordrehzahl wird hierdurch eingespart.
