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Diese
Erfindung bezieht sich auf Bohrhammer.
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Bohrhammer
weisen normalerweise einen Schlagmechanismus zur Schlagbeaufschlagung
eines Werkzeugelements, das von dem Hammer zum Beispiel in einem
Werkzeughalter aufgenommen wird, und einen Drehantriebsmechanismus
zum Drehen des Elements auf. In den meisten Fällen wird ein einziger Motor
für beide
Mechanismen eingesetzt, mit dem Ergebnis, dass das Verhältnis der
Schlagrate auf das Werkzeugelement zu seiner Drehgeschwindigkeit
immer konstant ist. Dies ist nicht besonders vorteilhaft, da die
Anzahl der Schläge
pro Umdrehung des Elements in Abhängigkeit von einer Anzahl von
Betriebsparametern, wie etwa dem Durchmesser des Elements, der Härte des
Materials, das gebohrt wird, und der Kraft, mit der der Hammer gegen
das Werkstück
gedrückt
wird, verändert
werden muss, um die Bohrleistung zu optimieren. GB-A-2,086,777 beschreibt
einen Hammer, der zwei Motoren enthält, einen zum Antreiben des
Schlagmechanismus und den anderen für den Drehantriebsmechanismus,
so dass die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit des Werkzeugelements
und der Schlagfrequenz zwischen weiten Grenzen gewählt werden
kann, um die Bohrleistung zu optimieren. Solch ein Hammer hat jedoch
den Nachteil, dass der Benutzer die gewünschte Rate von Schlägen pro Umdrehung
in Abhängigkeit
von Elementgröße, Material,
usw. berechnen und auswählen
muss, was gegebenenfalls nicht der optimale Wert ist, und dass dieser
Wert dann für
den gesamten Bohrvorgang eingestellt wird.
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US 4688970 offenbart eine
Anordnung, in der die Bohrgeschwindigkeit und die Vorschubrate eines
Bohrers in Abhängigkeit
von dem durch eine Spindeldruckmesszelle erfasste Druckkraft gesteuert werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Bohrhammer bereitgestellt, der einen Schlagmechanismus
zur Schlagbeaufschlagung eines vom Hammer aufgenommenen Werkzeugelements
und einen Drehantriebsmechanismus zum Drehen des Elements aufweist,
wobei der Schlagmechanismus und der Drehantriebsmechanismus veränderbar
sind, so dass das Verhältnis
von Schlagrate auf das Element zu seiner Drehgeschwindigkeit verändert werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hammer einen Sensor zur Ermittlung
mindestens einer Eigenschaft, die durch den Betrieb des Hammers
beeinflusst wird, einen Prozessor, der aus der Eigenschaft eine
Anzahl von Betriebsparametern und aus den Betriebsparametern das
gewünschte
Verhältnis
von Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit bestimmt, und Mittel zum Einstellen
der Schlagrate und der Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von dem Prozessor aufweist.
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Der
Hammer gemäß der vorliegenden
Erfindung hat den Vorteil, dass der Benutzer vor dem Bohren keinerlei
Denkvorgang durchführen
muss, sondern bloß den
Hammer mit dem Werkstück
in Eingriff bringt, und das geeignete Verhältnis von Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit
des Elements wird selbsttätig
durch den Hammer bestimmt.
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Der
Sensor kann ein beliebiger einer Anzahl von Sensoren sein, die Eigenschaften
des Hammers ermitteln können,
die durch den Betrieb des Hammers beeinflusst werden, das heisst,
eine Eigenschaft, die durch die Betriebsparameter des Hammers beeinflusst
wird. Zum Beispiel kann der Hammer einen Sensor zur Er mittlung der
Beschleunigung in der Richtung der Drehachse des Elements aufweisen,
so dass von dem Sensor ein Schwingungsspektrum erhalten werden kann.
Jedoch können
stattdessen andere Sensoren eingesetzt werden, zum Beispiel Sensoren
zur Ermittlung des augenblicklichen Stromverbrauchs, um Bohrleistungs-
und Schlagleistungstransienten festzustellen.
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Der
Hammer kann mehr als nur einen einzigen Sensor aufweisen. Zum Beispiel
kann er einen oder mehrere zusätzliche
Sensoren aufweisen, um die Beschleunigung in einer Richtung senkrecht
zu der Achse des Elements zu messen, oder er kann einen Stromdetektor
zur Bestimmung des Ankerwicklungsstroms aufweisen. Der Hammer kann
einen Sensor zur Bestimmung der Kraft aufweisen, mit der der Hammer
durch den Benutzer oder durch einen Mechanismus gegen das Werkstück gedrückt wird, obwohl
diese in anderen Fällen
durch Analyse des von dem Beschleunigungsmesser bzw. den Beschleunigungsmessern
erhaltenen Schwingungsspektrums bestimmt werden kann. Die Signale
von den Sensoren werden von dem Prozessor verwendet, um die Betriebsparameter
des Bohrvorgangs zu bestimmen, wie zum Beispiel den Durchmesser
des eingesetzten Bohrers und die Härte des das Werkstück bildenden
Materials. Falls gewünscht,
kann der Prozessor auch die Kraft, mit der der Hammer gegen das
Werkstück
gedrückt
wird (die Benutzerbelastung), aus dem Schwingungsspektrum bestimmen, statt
einen separaten Sensor für
diesen Zweck zu erfordern. Die Bestimmung der Betriebsparameter kann
auf eine Anzahl von Wegen durchgeführt werden. Dieses kann zum
Beispiel durch Ermittlung der Amplitude der Grundwellenspitze in
dem Schwingungsspektrum und Vergleich von dieser mit der Intensität der Harmonischen
in dem Schwingungsspektrum und/oder Messen der Spitzenbreite (z.
B. bei halber Höhe)
der Grundschwin gung und/oder der Harmonischen und anschließendes Einsetzen
eines oder mehrerer, aus Versuchen erhaltener empirischer Algorithmen,
um die Schwingungsdaten in eine Kenntnis der Betriebsparameter umzusetzen,
erreicht werden. In einigen Fällen
kann es einfacher sein, eine Nachschlagetabelle einzusetzen, um
die Schwingungsspektren in Betriebsparameter umzusetzen. Sobald
die Betriebsparameter, insbesondere die Elementgröße, die
Materialhärte
und die Benutzerbelastung, bekannt sind, kann das geeignete Verhältnis von
Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit aufgefunden werden. Wie bei der
Bestimmung der Betriebsparameter, kann dieses entweder durch einen oder
mehrere empirische Algorithmen oder mittels einer auf vorangegangene
Versuche beruhenden Nachschlagetabelle bestimmt werden. In der Tat kann
es unnötig
sein, die Betriebsparameter oder alle von diesen zu bestimmen, um
die geeignete Anzahl von Schlägen
pro Umdrehung zu bestimmen, sondern dieser Wert kann in manchen
Fällen
unmittelbar aus dem Schwingungsspektrum bestimmt werden.
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Der
Zweck der Einstellung des Verhältnisses von
Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit besteht darin, den Betrieb des
Hammers zu optimieren, obwohl der jeweilige Aspekt des Betriebes,
der zu optimieren ist, von dem Hammertyp abhängen kann. So wird in vielen
Fällen
das Verhältnis
von Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit eingestellt, um die Eindringrate
des Elements in das Werkstück
zu maximieren. In anderen Fällen
kann es jedoch erwünscht
sein, den Energieverbrauch des Hammers für jede gegebene Eindringtiefe
in das Werkstück
zu minimieren. Dies kann in dem Fall batteriebetriebender Hämmer von
größter Wichtigkeit
sein. Der Wert der tatsächlichen
Eindringrate kann zum Beispiel durch Integrieren des Signals von
dem Beschleuni gungsmesser (in der Richtung der Drehachse des Elements) über einen
geeigneten Zeitraum ermittelt werden.
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Der
erfindungsgemäße Hammer
kann auf eine Anzahl von Weisen eingesetzt werden. Er kann zum Beispiel
in einer Weise mit offenem Kreis verwendet werden, bei der der Prozessor
in einer Anfangsphase des Bohrens Signale von den Sensoren empfängt und
das optimale Verhältnis
von Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit bestimmt, das für den Rest
des Bohrvorgangs verwendet wird. Alternativ kann der Hammer in einer
Weise mit geschlossenem Kreis verwendet werden. In dieser Betriebsart
weist der Hammer eine Rückkopplungsschleife
auf, in der der Wert der zu optimierenden Größe, zum Beispiel das Verhältnis von
Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit, durch den Mikroprozessor aus
Werten der anderen Eigenschaften, wie etwa der Beschleunigung (parallel
oder senkrecht zu der Drehachse), Benutzerbelastung usw., berechnet
wird und die Werte für die
Schlagrate und die Drehgeschwindigkeit den Antrieben für die zwei
Motoren zugeführt
werden. Die Istwerte der Eigenschaften werden wiederholt gemessen,
zum Beispiel alle paar Sekunden, und die Geschwindigkeiten des Drehantriebs
und der Hammerantriebsmotoren werden dann kontinuierlich durch den
Mikroprozessor in Abhängigkeit
von diesen Werten und Werten jeglicher anderer Eingangsparameter,
wie etwa der Benutzerbelastung, eingestellt. Der Betrieb mit geschlossenem
Kreis hat den Vorteil, dass das Verhältnis von Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit
während
des Bohrvorgangs in Reaktion auf eine Änderung an den Betriebsparametern selbsttätig verändert werden
kann. Zum Beispiel kann das Verhältnis
geändert
werden, um Veränderungen
in der Materialhärte,
z. B. wenn ein harter Einschluss in dem Material getroffen wird
oder wenn das Material weicher wird, oder Änderungen der Benutzerbelastung
aufgrund einer Benutzerermüdung
zu berücksichtigen.
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Der
Mikroprozessor kann das erforderliche Verhältnis von Schlagrate zu Drehgeschwindigkeit aus
den gemessenen Werten der Eigenschaften auf eine Anzahl von Wegen
bestimmen, indem er die Schwingungsspektren untersucht. Das Ergebnis
dieses Prozesses wird dann an eine Nachschlagetabelle geleitet,
in der die optimalen Werte des Verhältnisses von Schlagrate zu
Drehgeschwindigkeit für
alle Kombinationen der Parameter gespeichert worden sind, um Werte
für die
relevanten Motorgeschwindigkeits-Steuereinrichtungen zu erhalten.
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Zwei
Hammerformen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 schematisch
einen erfindungsgemäßen Hammer
zeigt,
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2 eine
graphische Darstellung ist, die die Veränderung der Entfernung von
Material als eine Funktion des Bohrerdurchmessers zeigt,
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3 eine
graphische Darstellung des Schwingungsspektrums des Hammers in der
Richtung der Achse des Elements ist, wenn eine Spitzmeißel eingesetzt
wird,
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4 eine
graphische Darstellung des Schwingungsspektrums des Hammers in der
Richtung der Achse des Elements ist, wenn ein 20 mm Bohrer verwendet
wird, und
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5 ein
Flussdiagramm ist, das den Betrieb des Hammers zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
zeigt 1 einen Bohrhammer der allgemeinen, in GB-A-2,086,777
gezeigten Ausgestaltung. Diese Form von Hammer weist ein Gehäuse 1, einen
Werkzeughalter 2, der ein Werkzeugelement 4 aufnehmen
kann, und ein Paar von Elektromotoren 6 und 8 auf.
Der Hammer weist eine Spindel 10 auf, die den Werkzeughalter 2 trägt und die
mittels eines Motors 6 und eines Drehantriebsmechanismus
gedreht werden kann, der ein an dem Ende der Ankerwelle 14 des
Motors 6 angeordnetes Kegelrad 12 und ein weiteres,
in dem hinteren Ende der Spindel gebildetes Kegelrad 16 aufweist,
das mit diesem kämmt.
Ein Luftkissen-Hammermechanismus ist schematisch gezeigt und weist
eine durch die Ankerwelle 20 des Motors 8 angetriebene
Kurbel 18 auf, die mit einem Kolben verbunden ist und bewirkt,
dass der Kolben mit einer hin- und hergehenden Bewegung in der Spindel
gleitet. Ein Schlagstück 24 ist
ebenfalls in der Spindel angeordnet und ist mechanisch mit dem Kolben 22 mittels
eines in der Spindel zwischen dem Kolben und dem Schlagstück gebildeten
Luftkissens verbunden, so dass das Schlagstück in Abhängigkeit von der Bewegung des
Kolbens in der Spindel hin- und hergleitet. Das Schlagstück schlägt gegen
das rückwärtige Ende
des Werkzeugelements 4, wenn es sich nach vorne bewegt,
und bewirkt dadurch, dass das Element gegen das Werkstück schlägt, mit
dem es sich in Eingriff befindet. Weil der Drehantriebsmechanismus
und der Hammermechanismus unabhängig
durch separate Motoren angetrieben werden, können die Schlagrate des Hammermechanismus auf
das Werkzeugelement und die Drehgeschwindigkeit der Spindel unab hängig voneinander
verändert werden,
um die Anzahl von Schlägen
pro Umdrehung des Elements zu verändern.
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Der
Hammer ist durch die Hinzufügung
eines kleinen piezoelektrischen Beschleunigungsmessers 26,
der Schwingungen in der Richtung der Achse der Spindel und des Werkzeugelements
ermittelt, und eines weiteren Beschleunigungsmessers 28 verändert, der
Schwingungen in einer Richtung senkrecht zu der Achse der Spindel
ermittelt. Der Ausgang der Beschleunigungsmesser wird einem Mikroprozessor (nicht
gezeigt) zugeleitet, der die Motoren 6 und 8 steuert.
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2 gibt
sehr allgemein eine typische Änderung
der Entfernungsrate von Material aus einem Betonwerkstück als eine
Funktion des Elementdurchmessers für eine gegebene Anzahl von
Schlägen
pro Umdrehung des Bohrers an. Für
sehr kleine Bohrer, in diesem Fall ungefähr 8 bis 10 mm, ist die Entfernungsrate
von Material relativ niedrig, da in diesem Bereich die Schlagenergie
des Hammers zu groß für die Größe des Loches
und die Bildungsrate durch die Fähigkeit
begrenzt ist, den erzeugten Staub aus dem Loch zu entfernen. Wenn
der Elementdurchmesser erhöht
wird, wird die Entfernungsrate erhöht, bis die optimale Beziehung
zwischen der Anzahl von Schlägen
pro Umdrehung und dem Elementdurchmesser erreicht ist. Wenn der
Durchmesser noch weiter erhöht
wird, fällt
die Entfernungsrate von Material ab, weil in diesem Bereich die
Schlagenergie des Hammers zu niedrig oder die Drehgeschwindigkeit
des Elements zu hoch ist, so dass das Element in dem Loch, das gebildet
wird, herumspringt.
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Die 3 und 4 sind
typische Graphen von Schwingungsspektren, die von dem Beschleunigungsmesser 26 bei
der Messung der Schwingung in der Richtung der Achse der Spindel
mit zwei verschiedenen Elementen erhalten wurden, von denen eines
ein Element mit 8 mm Durchmesser ist und das andere einen 20 mm
Durchmesser hat. Das Schwingungsspektrum des Hammers unter Verwendung des
Elements mit 8 mm Durchmesser weist eine Spitze 40 bei
ungefähr
70 Hz, die der Grundschwingung entspricht, und fünf weitere Spitzen, deren Intensität allgemein
abfällt,
bei 140, 210, 280, 340 und 370 Hz auf, die Harmonischen entsprechen,
wobei oberhalb dieser Frequenz keine klar erkennbaren Spitzen zu sehen
sind. Im Unterschied dazu ist in dem Schwingungsspektrum des Hammers
unter Verwendung eines 20 mm Elements die Intensität der Grundschwingung
verringert, während
die zweite und vierte Harmonische bei 140 und 270–280 Hz
besonders ausgeprägt
sind. Diese Schwingungsspektren sind als Beispiele von Spektren
gezeigt, die für
einen gegebenen Hammer erhalten werden können, aber die Details in den
Spektren hängen
von der speziellen Ausgestaltung des Hammers ab. Spektren können für einen Bereich
von jedem der Betriebsparameter erhalten werden, das heisst einen
Bereich von Bohrerdurchmessern, Betonhärten und Benutzerbelastungen, und
der Mikroprozessor kann programmiert sein, um das spezielle Spektrum
zu erkennen oder um Merkmale eines beliebigen Spektrums zu erkennen,
die angeben, auf welchem der Betriebsparameter es basiert. Der Mikroprozessor
stellt dann die relative Geschwindigkeit der Motoren 6 und 8 ein,
um die optimale Eindringrate zu erreichen.
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Eine
Form von Hammer hat eine Arbeitsweise, wie sie in 5 gezeigt
ist. In diesem Betrieb mit offenem Kreis ist eine Anzahl von Sensoren
zum Messen von zum Beispiel der Beschleunigung in Richtungen sowohl
parallel als auch senkrecht zu der Werkzeugachse und optional des
augenblicklichen Leistungsverbrauchs und/oder der Benutzerbelastung
vorgesehen. Es werden Signale von den Sensoren erhalten, wenn der
Hammer zuerst mit dem Werkstück
in Eingriff gebracht wird, und dem Mikroprozessor als Eingang zugeleitet,
der daraus die Betriebsparameter (Elementdurchmesser, Betonhärte und
Benutzerbelastung (wenn diese nicht durch einen der Sensoren bestimmt
wird)) berechnet. Nach der Bestimmung der Betriebsparameter erhält der Mikroprozessor
dann die gewünschten
relativen Geschwindigkeiten für
die zwei Motoren aus einer Nachschlagetabelle unter Verwendung der
Betriebsparameter als Eingangsvariablen, um das optimale Verhältnis von
Hammermotor-Antriebsgeschwindigkeit zur Drehmotor-Antriebsgeschwindigkeit
zu bestimmen, und stellt diese Geschwindigkeiten für den Rest des
Bohrvorgangs ein.
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Als
eine Alternative kann der Mikroprozessor den Vorgang alle paar Sekunden
wiederholen, so dass die Betriebsparameter und infolgedessen die Motorgeschwindigkeiten
während
des Bohrvorgangs kontinuierlich zurückgesetzt werden. Solch eine
Arbeitsweise hat den Vorteil, dass Änderungen an den Eingangsparametern,
wie etwa Materialhärte
und Benutzerbelastung, durch den Hammer berücksichtigt werden können.