DE10302532A1

DE10302532A1 - Steuerung einer Handwerkzeugmaschine

Info

Publication number: DE10302532A1
Application number: DE2003102532
Authority: DE
Inventors: Roland Schaer; Christoph Würsch; Harald Schmitzer; Ricardo Teixeira; Hans Böni; Klaus Bertsch
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-07-29
Also published as: EP1440771B1; DE502004008301D1; EP1440771A1

Abstract

Eine Handwerkzeugmaschine (1) zum Antrieb eines Werkzeugs mit einem Steuermittel (2) zur Steuerung eines Antriebsmittels (3) sowie mit zumindest einem händisch umfassbaren Handgriff (4a) mit zumindest einem, mit dem Steuermittel (2) verbundenen, Sensor (5a) mit einer manuell betätigbaren ersten Sensorfläche (6a), wobei zumindest eine zweite Sensorfläche (6b) vorhanden ist und beide Sensorflächen (6a, 6b) innerhalb eines händisch umfassbaren Griffbereiches (X) umfänglich versetzt angeordnet sind. Diesem ist ein Steuerverfahren zugeordnet.

Description

Die Erfindung bezeichnet eine Steuerung einer Handwerkzeugmaschine, insbesondere eines Meisselhammers oder Bohrhammers.
Handwerkzeugmaschinen erfahren bei zweckentsprechender Nutzung eine Wechselwirkung mit dem zu bearbeitenden Werkstück, wodurch auf die Handwerkzeugmaschinen stochastische Beschleunigungskräfte wirken, die zur Führung über zumindest einen Führungshandgriff über das Hand-Arm-System vom Nutzer aktiv kompensiert werden müssen.
Üblicherweise haben Handwerkzeugmaschinen einen monostabilen, bei der zweckentsprechenden Nutzung ständig vom Nutzer manuell zu betätigenden, Haupt- oder Regelschalter, welcher zumeist werkstückseitig an einem, mit einer Hand umfassbaren, Führungshandgriff angeordnet ist. Dadurch wird ergonomisch eine hinreichende Nutzungssicherheit erreicht, indem bei der Steuerung der Handwerkzeugmaschine der Führungshandgriff zumindest umfasst sein muss und somit vom Nutzer intuitiv fest gehalten wird.
Da insbesondere bei monotonen Bearbeitungsvorgängen eine ständige Betätigung des Haupt- oder Regelschalters lästig ist, sind oftmals zusätzliche Arretierungsmittel vorhanden, welche bei bestimmten Betriebsmodi mit geringeren Anforderungen für eine hinreichende Nutzungssicherheit, bspw. Meisseln, eine Arretierung des Haupt- oder Regelschalters in Arbeitsstellung gestatten sowie durch Betätigung des Haupt- oder Regelschalters intuitiv lösbar sind.

Nach der US5014793 ist der am umfassbaren Führungshandgriff werkstückseitig angeordnete Haupt- oder Regelschalter als Kraftsensor ausgebildet, welcher über einen Mikrocontroller die Handwerkzeugmaschine steuert.

Nach der EP1221359 weist eine Handwerkzeugmaschine am umfassbaren Handgriff einen Kraftsensor zur Messung des nutzerseitigen Anpressdrucks auf, um über einen vom Mikrocontroller gesteuerten Aktor am Handgriff dessen Vibrationen zu vermindern. Nach der DE4306524 wird die Handwerkzeugmaschine in Abhängigkeit vom Anpressdruck auf das Werkstück gesteuert.

Nach der DE19738092 ist bei einer Handwerkzeugmaschine am umfassbaren Führungshandgriff ausschliesslich querseitig ein vom Daumen betätigbarer Kraftsensor angeordnet, welcher über einen Mikrocontroller mit unterschiedlichen Steueralgorithmen intuitiv die Handwerkzeugmaschine steuert. Zumindest in den Steueralgorithmen, welche nicht ständig den Steuerdruck des Daumens benötigen, ist eine zur sicheren Nutzung notwendige Umfassung des Führungshandgriffs nicht ergonomisch sichergestellt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung einer Steuerung einer Handwerkzeugmaschine mit erhöhter Nutzungssicherheit.

Die Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Wesentlichen weist eine Handwerkzeugmaschine zum Antrieb eines Werkzeugs ein Steuermittel zur Steuerung eines Antriebsmittels sowie einen händisch umfassbaren Handgriff mit einem, mit dem Steuermittel verbundenen, Sensor mit einer manuell betätigbaren ersten Sensorfläche auf, wobei zumindest eine zweite Sensorfläche vorhanden ist und beide Sensorflächen innerhalb eines händisch umfassbaren Griffbereiches umfänglich versetzt angeordnet sind.

Durch die zumindest beiden, innerhalb eines händisch umfassbaren Griffbereiches umfänglich versetzt angeordneten, Sensorflächen ist ein für eine hinreichende Nutzungssicherheit notwendiges Umfassen des Handgriffs ergonomisch vom Steuermittel detektierbar sowie der Antrieb entsprechend aktivierbar/deaktivierbar.

Vorteilhaft ist der Handgriff der Führungshandgriff und/oder ein Seitenhandgriff, wodurch jeweils für sich bzw. in Kombination eine notwendige Umfassung detektierbar ist, bspw. in Abhängigkeit vom Betriebsmodus beim Meisseln nur des Führungshandgriffs, beim Schlagbohren des Führungshandgriffs sowie des Seitenhandgriffs.

Vorteilhaft weist der Sensor einen internen Schaltschwellwert auf, wodurch auch eine zwar unvollständige, jedoch hinreichende Berührung zuverlässig detektierbar ist.

Vorteilhaft weist der Sensor eine interne Sensorschaltung mit einem logischen Ausgang auf, wodurch dieser das als Mikrocontroller mit Leistungsschalter ausgebildete Steuermittel digital ansteuern kann.

Vorteilhaft weisen zumindest zwei Sensoren logische Ausgänge auf, welche miteinander logisch AND verknüpft sind, wodurch aus den einzelnen Sensorwerten ein Sicherheitssignal bezüglich einer Mindestumfassung des Handgriffs generierbar ist. Zudem wird ein, bspw. durch einseitige Verunreinigungen des Handgriffs erzeugtes, Fehlsignal zuverlässig unterdrückt.

Vorteilhaft ist der Sensor als Differenzkraftsensor bezüglich des Handgriffs längs der Arbeitsrichtung ausgebildet, bspw. als Polymer-Folienkraftsensor zwischen einer werkzeugseitigen und einer nutzerseitigen Grifffläche, wodurch die bei der Umfassung des Handgriffs notwendig entstehende Handkraft zuverlässig als Umfassungssignal detektierbar ist.

Vorteilhaft ist der Differenzkraftsensor aus zwei zueinander entgegengesetzt orientierten und verschalteten Kraftsensoren ausgebildet, bspw. aus Piezosensoren, welche jeweils gegen einen mit der Handwerkzeugmaschine steif verbundenen Kern des Handgriffs messen, wodurch zumindest teilweise vorhandene Kraftsensoren zusätzlich für den Differenzkraftsensor zum Detektieren des Umfassungssignals benutzbar sind.

Vorteilhaft weisen die beiden Kraftsensoren jeweils eine interne Sensorschaltung mit einem zumindest quasikontinuierlichen Ausgang auf, wodurch die beiden gemessenen Absolutkraftwerte der werkzeugseitigen und der nutzerseitigen Grifffläche als solche und in geeigneter Funktion, bspw. als Differenz und Summe, dem Steuermittel zur Steuerung verfügbar sind.

Alternativ vorteilhaft ist der Sensor ein Berühungssensor mit als Berührungskontaktflächen ausgebildeten Sensorflächen, welcher nach dem Prinzip eines hochohmigen Widerstandssensors oder kapazitiven Sensors mit zwei voneinander isolierten Berührungskontaktflächen funktioniert, wodurch eine Berührung mit der Hand oder einem Handschutz, der beide Berührungskontaktflächen überbrückt, zuverlässig als Umfassungssignal detektierbar ist.

Vorteilhaft sind die Berührungskontaktflächen als leitfähige Bleche ausgebildet, welche in ein als Isolator wirkendes Griffmaterial eingebettet sind, wodurch ein auch im rauhen Umfeld des Baugewerbes zuverlässiger Sensor realisierbar ist.

Vorteilhaft sind mehr als zwei Sensorflächen innerhalb eines händisch umfassbaren Griffbereiches umfänglich versetzt angeordnet, wodurch ein teilweises, umfängliches Umfassen des Handgriffs detektierbar ist.

Vorteilhaft sind von mehreren Sensorflächen zumindest teilweise umfänglich, paarweise alternierende Sensorflächen miteinander verbunden, wodurch zwei teilweise umfänglich ineinander verschachtelte Berührungskontaktflächen ausgebildet sind, die flächige Strukturen ausbilden, bspw. Kämme, Serpentinen oder Spiralen.

Vorteilhaft sind von mehreren Sensorflächen jeweils genau zwei zumindest zwei Sensoren zugeordnet, wodurch das Umfassen des Handgriffs segmentweise zuordenbar detektierbar ist.

Im zugeordneten Steuerverfahren eines Steuermittels für einen Antrieb einer Handwerkzeugmaschine wird in einem ersten Schritt ein Sensorsignal eines Sensors als Steuerparameter erfasst und in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit des Steuerparameters vom Steuermittel der Antrieb gesteuert, wobei im ersten Schritt mit dem Sensor die händische Umfassung eines Griffbereiches detektiert wird.

Durch die Detektion der händischen Umfassung eines Griffbereiches ist für das Steuermittel sicher erkennbar, ob die Handwerkzeugmaschine vom Nutzer zur zweckentsprechenden Verwendung richtig gehandhabt oder der Sensor nur anderweitig aktiviert wird, bspw. beim Transport der Handwerkzeugmaschine oder einer Ablage auf dem Sensor. Bei einer somit sichergestellten händischen Umfassung eines Handgriffs ist die physiologische Voraussetzung dafür gegeben, auf vom Antrieb und/oder der Wechselwirkung des Werkzeugs mit dem Werkstück hervorgerufene Beschleunigungen des Gehäuses der Handwerkzeugmaschine intuitiv hinreichend schnell entsprechend zu reagieren. Insbesondere ist durch eine derartige Detektion die unmittelbare Aktivierung des Antriebs der Handwerkzeugmaschine oder die Bereitschaft für die Aktivierung des Antriebs über eine Sensorsteuerung in sicherer Weise direkt möglich, wodurch diesbezügliche manuell betätigbare Antriebsschalter entfallen können.

Vorteilhaft wird im zweiten Schritt bei Überschreiten einer Mindestdifferenzkraft und somit detektierter hinreichender Umfassung des Handgriffs die Sensorsteuerung für den Antrieb aktiviert bzw. anderenfalls deaktiviert.

Bei im zweiten Schritt aktiverter Sensorsteuerung wird weiter vorteilhaft in einem dritten Schritt bei Überschreiten einer nutzerseitigen Mindestsummenkraft der Antrieb aktiviert, in Abhängigkeit dieser Kraft die Antriebsleistung geregelt und bei Überschreiten einer werkzeugseitigen Mindestsummenkraft der Antrieb deaktiviert, wodurch eine intuitive Leistungssteuerung der Handwerkzeugmaschine erfolgt.

Vorteilhaft ist im zweiten Schritt ein vorwählbarer Betriebsmodus ein weiterer Steuerparameter, wodurch weiter vorteilhaft beim Meisseln nur eine Mindestdifferenzkraft des Führungshandgriffs für eine aktivierte Sensorsteuerung notwendig ist, beim Schlagbohren hingegen jeweils eine Mindestdifferenzkraft des Führungshandgriffs und des Seitenhandgriffs.

Vorteilhaft ist im zweiten Schritt die Zeit ein weiterer Steuerparameter, wodurch weiter vorteilhaft durch kurzzeitigen Andruck bzw. Wegzug der Handwerkzeugmaschine der Antrieb aktiviert bzw. deaktiviert wird.

Vorteilhaft wird im zweiten Schritt bei Überschreiten einer werkzeugseitigen Mindestsummenkraft über eine gewisse Zeitspanne von länger 1 s ein Transport am Handgriff detektiert und die Aktivierung der Sensorsteuerung für eine gewisse Zeitspanne von länger 5 s unterbunden.

Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:
1 als Handwerkzeugmaschine
2a, 2b, 2c als Varianten von Berührungskontaktflächen
3 als Einzelheit des Sensors
4a, 4b als Varianten einer Einzelheit der Handwerkzeugmaschine
5 als Variante einer Einzelheit des Sensors
Nach 1 weist eine Handwerkzeugmaschine 1 zum drehenden und schlagenden Antrieb eines nicht dargestellten Werkzeugs längs einer Arbeitsrichtung A ein Steuermittel 2 zur Steuerung eines Antriebsmittels 3 in Form eines Elektromotors auf. Zwei händisch umfassbare Handgriffe 4a, 4b in Form eines Führungshandgriffs und eines Seitenhandgriffs weisen jeweils zwei mit dem Steuermittel 2 verbundene Sensoren 5a, 5b mit vier manuell betätigbaren Sensorflächen 6a, 6b, 6c, 6d auf. Diese sind innerhalb eines händisch umfassbaren Griffbereiches X umfänglich versetzt angeordnet. Die Sensoren 5a, 5b sind als Berühungssensoren mit als Berührungskontaktflächen 7 ausgebildeten Sensorflächen 6a, 6b, 6c, 6d ausgebildet. Die Berührungskontaktflächen 7 sind als leitfähige Bleche ausgebildet, welche in die Handgriffe 4a, 4b aus Plastik eingebettet sind.
Die unterschiedlichen Varianten von Berührungskontaktflächen 7 bilden bei einer über den Umfang U umfänglich abgewickelten Darstellung jeweils flächige Strukturen aus, nach 2a Kämme, nach 2b Serpentinen oder nach 2c Spiralen. Dabei sind jeweils umfänglich paarweise alternierende Berührungskontaktflächen 7a, 7b miteinander verbunden.
Nach 3 bilden die paarweise gegenüberliegenden Sensorflächen 6a, 6c sowie 6b, 6d jeweils mit einem Teil einer integrierten Sensorschaltung 8 zwei umfänglich um 90° versetzte Sensoren 5a, 5b auf. Diese integrierte Sensorschaltung 8 weist jeweils einen Schwellwertschalter 9 und einem logischen Ausgang 10 auf. Die beiden Sensoren 5a, 5b zugeordneten logischen Ausgänge 10 sind in einem NAND-Schaltkreis 11 miteinander logisch AND verknüpft.
Nach 4a ist bei einer Variante des Handgriffs 4a der Sensor 5 als längs der Arbeitsrichtung A sensibler Differenzkraftsensor 13 in Form eines Polymer-Folienkraftsensors ausgebildet, indem er zwischen einer werkzeugseitigen Grifffläche 14a und einer nutzerseitigen Grifffläche 14b angeordnet ist. Nach 4b ist bei einer weiteren Variante der Differenzkraftsensor 13 aus zwei einzelnen, zueinander entgegengesetzt orientierten und verschalteten, Kraftsensoren 15a, 15b in Form zweier Piezosensoren ausgebildet, welche jeweils gegen einen mit der Handwerkzeugmaschine 1 steif verbundenen Kern 16 des Handgriffs 4a sensibel sind.
Nach 5 weisen in einer Variante des Sensors 5 die beiden Kraftsensoren 15a, 15b jeweils eine interne Sensorschaltung 8' mit einem zumindest quasikontinuierlichen Ausgang 10' auf, welche mit einem Summen/Differenz-Schaltkreis 16 zur Ermittlung der Differenzkraft ΔF und der Summenkraft ΣF verbunden sind, die in dem Steuermittel 2 mit einer Zeit t, einer Zeitspanne Δt, einer Mindestdifferenzkraft ΔF_min bzw. einer Mindestsummenkraft ΣF_min in Relation zueinander gebracht werden.

Claims

Handwerkzeugmaschine zum Antrieb eines Werkzeugs mit einem Steuermittel (2) zur Steuerung eines Antriebsmittels (3) sowie mit zumindest einem händisch umfassbaren Handgriff (4a) mit zumindest einem, mit dem Steuermittel (2) verbundenen, Sensor (5a) mit einer manuell betätigbaren ersten Sensorfläche (6a), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Sensorfläche (6b) vorhanden ist und beide Sensorflächen (6a, 6b) innerhalb eines händisch umfassbaren Griffbereiches (X) umfänglich versetzt angeordnet sind.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Handgriff (4a, 4b) als Führungshandgriff und/oder als Seitenhandgriff ausgebildet ist.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5a) einen internen Schwellwertschalter (9) aufweist.
Handwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5a) eine interne Sensorschaltung (8) mit einem logischen Ausgang (10) aufweist.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Sensoren (5a, 5b) logische Ausgänge (10) aufweisen, welche miteinander logisch AND verknüpft sind.
Handwerkzeugmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5a) als längs der Arbeitsrichtung (A) sensibler Differenzkraftsensor (13) ausgebildet ist, optional zwischen einer werkzeugseitigen und einer nutzerseitigen Grifffläche (14a, 14b) des Handgriffs (4a).
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzkraftsensor (13) aus zwei zueinander entgegengesetzt orientierten und verschalteten Kraftsensoren (15a, 15b) ausgebildet ist, welche optional jeweils gegen einen steifen Kern (16) des Handgriffs (4a) messen.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kraftsensoren (15a, 15b) jeweils eine interne Sensorschaltung (8') mit einem zumindest quasikontinuierlichen Ausgang (10') aufweisen.
Handwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5a) ein Berühungssensor mit als Berührungskontaktflächen (7) ausgebildeten Sensorflächen (6a, 6c) ist.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungskontaktflächen (6a, 6c) als leitfähige Bleche ausgebildet sind, welche in ein als Isolator wirkendes Griffmaterial eingebettet sind.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Sensorflächen (6a, 6b, 6c) innerhalb eines händisch umfassbaren Griffbereiches (X) umfänglich versetzt angeordnet sind.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, teilweise umfänglich paarweise alternierende, Sensorflächen (6b–6d) miteinander verbunden sind.
Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils genau zwei Sensorflächen (6a–6c, 6b–6d) zumindest zwei Sensoren (5a, 5b) zugeordnet sind.
Steuerverfahren eines Steuermittels (2) für ein Antriebsmittel (3) einer Handwerkzeugmaschine (1), wobei in einem ersten Schritt ein Sensorsignal eines Sensors (5a) als Steuerparameter erfasst wird und in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit des Steuerparameters vom Steuermittel (2) das Antriebsmittel (3) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt mit dem Sensor (5a) die händische Umfassung eines Griffbereiches (X) detektiert wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt bei Überschreiten einer Mindestdifferenzkraft (ΔF_min) und somit detektierter hinreichender Umfassung des Handgriffs (4a) eine Sensorsteuerung für das Antriebsmittel (3) aktiviert bzw. anderenfalls deaktiviert wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei im zweiten Schritt aktiverter Sensorsteuerung in einem dritten Schritt bei Überschreiten einer nutzerseitigen Mindestsummenkraft (ΣF_min) der Antrieb aktiviert wird, in Abhängigkeit dieser Kraft die Antriebsleistung geregelt und bei Überschreiten einer werkzeugseitigen Mindestsummenkraft (–ΣF_min) der Antrieb deaktiviert wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt ein vorwählbarer Betriebsmodus ein weiterer Steuerparameter ist, optional indem beim Meisseln nur eine Mindestdifferenzkraft (ΔF_min) des Führungshandgriffs (4a) für eine aktivierte Sensorsteuerung notwendig ist, beim Schlagbohren hingegen jeweils eine Mindestdifferenzkraft (ΔF_min) des Führungshandgriffs (4a) und des Seitenhandgriffs (4b).
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt die Zeit (t) ein weiterer Steuerparameter ist, optional indem durch kurzzeitigen Andruck bzw. Wegzug der Handwerkzeugmaschine (1) der Antrieb aktiviert bzw. deaktiviert wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt bei Überschreiten einer werkzeugseitigen Mindestsummenkraft (–ΣF_min) über eine erste vordefinierte Zeitspanne (Δt) die Aktivierung der Sensorsteuerung für eine zweite vordefinierte Zeitspanne (Δt) unterbunden wird.