ES2218341T3 - Martillo de percusion rotativo. - Google Patents
Martillo de percusion rotativo.Info
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Abstract
Martillo de percusión rotativo que comprende un mecanismo de percusión (18, 22, 24) para golpear una punta de trabajo (4) que se recibe en el martillo, y un mecanismo de accionamiento giratorio (10, 12, 16) para hacer girar la punta de trabajo, siendo el mecanismo de percusión y el mecanismo giratorio variables de manera que la proporción del ritmo de impactos sobre la punta de trabajo con respecto a la velocidad de rotación pueda cambiarse, caracterizado porque el martillo incluye un sensor (26, 28) para detectar por lo menos una propiedad que influye en el funcionamiento del martillo, un procesador que determina un número de parámetros de funcionamiento a partir de la propiedad, y que determina a partir de los parámetros de operación la proporción deseada de la proporción del ritmo de impactos con respecto a la velocidad de rotación, y un medio para establecer el ritmo de impactos y la velocidad de rotación en respuesta al procesador.
Description
Martillo de percusión rotativo.
La presente invención se refiere a martillos de
percusión rotativos.
Los martillos de percusión rotativos comprenden
normalmente un mecanismo de percusión para producir el impacto de
una punta de trabajo que se recibe en el martillo, por ejemplo, en
un soporte de herramienta, y un mecanismo de accionamiento de
rotación para hacer girar la punta de trabajo. En muchos casos, se
utiliza un único motor para ambos mecanismos, con el resultado de
que la proporción del ritmo de impactos en la punta de trabajo
respecto a la velocidad de rotación es siempre constante. Esto no
resulta particularmente ventajoso puesto que para optimizar el
rendimiento de perforación, el número de impactos por revolución de
la punta de trabajo tendría que cambiar dependiendo de ciertos
parámetros de operación tales como el diámetro de la punta de
trabajo, la dureza del material que se está taladrando y la fuerza
con la que se aplica el martillo sobre la pieza de trabajo. La
patente GB-A-2.086.777 describe un
martillo que incluye dos motores, uno para accionar el mecanismo de
percusión y otro para el mecanismo de accionamiento de rotación, de
manera que la relación entre la velocidad de rotación de la broca y
la frecuencia de impactos puede seleccionarse dentro de una amplia
gama para poder optimizar el rendimiento de perforación. Sin
embargo, este tipo de martillo presenta el inconveniente de que el
usuario tiene que calcular y seleccionar el ritmo de impactos por
revolución adecuado dependiendo del tamaño de la broca, material,
etc., que puede no ser el valor óptimo, y este valor se establece
para toda la operación de taladrado.
La patente norteamericana USA 4688970 da a
conocer una disposición en la que la velocidad de taladro y el ritmo
de alimentación de una broca están controlados dependiendo del
empuje que detecta una célula de carga para medir el empuje del
husillo.
Según la presente invención, se da a conocer un
martillo de percusión rotativo que comprende un mecanismo de
percusión para golpear una punta de trabajo que recibe el martillo,
y un mecanismo de accionamiento giratorio para hacer girar la broca,
siendo el mecanismo de percusión y el mecanismo de desplazamiento
giratorio variables de manera que la proporción del ritmo de
impactos sobre la broca con respecto a la velocidad de rotación
pueda cambiarse, caracterizado porque el martillo incluye un sensor
para detectar por lo menos una propiedad dependiente de la operación
del martillo, un procesador que determina un número de parámetros de
operación a partir de la propiedad, y que determina a partir de los
parámetros de operación la proporción deseada del ritmo de impactos
con respecto a la velocidad de giro, y medios para establecer el
ritmo de impacto y la velocidad de rotación en respuesta al
procesador.
El martillo según la presente invención presenta
la ventaja de que no es necesario que el usuario realice ningún
proceso mental antes de taladrar, sino que simplemente aplica el
martillo a la pieza de trabajo, y la proporción apropiada del ritmo
de impactos sobre la broca con respecto a la velocidad de rotación
de la punta de trabajo es la determinada automáticamente por el
martillo.
El sensor puede ser uno entre una serie de
sensores que pueden detectar las propiedades del martillo que se ven
influidas por el funcionamiento del martillo, es decir, una
propiedad influida por los parámetros de operación del martillo. Por
ejemplo, el martillo puede incluir un sensor para detectar la
aceleración en la dirección del eje de rotación de la punta de
trabajo, de manera que pueda obtenerse un espectro de vibración a
partir del sensor. No obstante, pueden utilizarse otros sensores,
por ejemplo, sensores para detectar el consumo de corriente
instantáneo a efectos de detectar la potencia de perforación y las
fluctuaciones de potencia de impacto.
El martillo puede incluir más de un sensor único.
Por ejemplo, puede incluir uno o más sensores adicionales para medir
la aceleración en una dirección perpendicular al eje de la punta de
trabajo, o puede incluir un detector de corriente para determinar la
corriente de devanado de la armadura. El martillo puede incluir un
sensor para determinar la fuerza con la que el martillo se aplica a
la pieza de trabajo por parte del usuario o de un mecanismo, aunque,
en otros casos, ésta puede determinarse mediante el análisis del
espectro de vibración obtenido a partir del medidor o medidores de
aceleración. El procesador utiliza las señales procedentes de los
sensores para determinar los parámetros de operación de la operación
de taladrado, por ejemplo, el diámetro de la broca que se utiliza, y
la dureza del material que forma la pieza de trabajo. Si se desea,
el procesador también puede determinar la fuerza con la que se
aplica el martillo a la pieza de trabajo (la carga de desviación del
usuario) a partir del espectro de vibración, en vez de necesitar un
sensor diferente para este fin. Se pueden determinar los parámetros
de operación de varias maneras. Esto puede conseguirse, por ejemplo,
detectando la amplitud del máximo de vibración fundamental en el
espectro de vibración y comparándolo con la intensidad de la armonía
en el espectro de vibración, y/o midiendo la amplitud del máximo
(por ejemplo, a media altura) de la fundamental y/o la armonía, y
después utilizar uno o más algoritmos empíricos obtenidos a partir
de ensayos para convertir los datos de vibración en un conocimiento
de los parámetros de operación. En algunos casos, puede resultar más
sencillo utilizar una tabla de comparación para convertir los
espectros de vibraciones en parámetros de operación. Cuando se
conocen los parámetros de operación, en particular el tamaño de la
punta de trabajo, la dureza del material y la carga de desviación
del usuario, puede hallarse la proporción adecuada entre el ritmo de
impactos y la velocidad de rotación. Al igual que al determinar los
parámetros de operación, ésta puede determinarse mediante uno o más
algoritmos empíricos o mediante una tabla de comparación basada en
pruebas previas. De hecho, puede no ser necesario determinar los
parámetros de operación o no todos ellos para establecer el número
de impactos por revolución adecuado, pero este valor, en algunos
casos, puede determinarse directamente a partir del espectro de
vibración.
La finalidad de establecer la proporción del
ritmo de impactos respecto a la velocidad de rotación es optimizar
la operación del martillo, si bien el aspecto específico de la
operación que debe optimizarse puede depender del tipo de martillo.
De este modo, en muchos casos, la proporción del ritmo de impactos
respecto a la velocidad de rotación se ajustará para maximizar el
ritmo de penetración de la punta de trabajo en la pieza de trabajo.
No obstante, en otros casos, puede desearse minimizar el consumo de
energía del martillo para cualquier profundidad de penetración en la
pieza de trabajo. Esto puede ser de gran importancia en el caso de
martillos accionados por batería. El valor del ritmo de penetración
efectivo puede detectarse, por ejemplo, integrando la señal del
medidor de aceleración (en la dirección del eje de rotación de la
punta de trabajo) en un período de tiempo adecuado.
El martillo según la presente invención puede
utilizarse de muchas maneras. Por ejemplo, puede utilizarse en
formar de bucle abierto en la que el procesador recibe señales
procedentes de los sensores en una fase inicial de taladrado, y
determina una proporción óptima del ritmo de impactos respecto a la
velocidad de rotación que se utiliza para el resto de la operación
de taladrado. De forma alternativa, el martillo puede utilizarse en
un modo de bucle cerrado. En esta modalidad de funcionamiento, el
martillo incluye un bucle de retroalimentación en el que el valor de
la cantidad que debe optimizarse, por ejemplo, la proporción del
ritmo de impactos respecto a la velocidad de rotación, se calcula
por el microprocesador a partir de los valores de otras propiedades
tales como la aceleración (paralela o perpendicular al eje de
rotación), la desviación de usuario, etc., y los valores del ritmo
de impactos y la velocidad de rotación se disponen a los mecanismos
de desplazamiento de ambos motores. Los valores efectivos de las
propiedades se miden repetidamente, por ejemplo, cada unos pocos
segundos, y el microprocesador ajusta continuamente las velocidades
del motor de accionamiento de rotación y del motor de accionamiento
del martillo en respuesta a estos valores y a valores de cualquier
otro parámetro de entrada tal como la desviación de usuario. El
funcionamiento en bucle cerrado presenta la ventaja de que la
proporción del ritmo de impactos respecto a la velocidad de rotación
puede variar automáticamente durante la operación de taladrado como
respuesta al cambio de los parámetros de operación. Por ejemplo, la
proporción puede cambiar para tener en cuenta las variaciones en la
dureza del material, por ejemplo, cuando se alcanza un estrato duro
del material o donde el material es más blando, o bien cambios en la
carga de desviación del usuario debidos a la fatiga del usuario.
El microprocesador puede determinar de distintas
maneras la proporción necesaria del ritmo de impactos respecto a la
velocidad de rotación a partir de los valores medidos de las
propiedades, mediante la inspección de los espectros de vibración.
El resultado de este proceso se pasa a continuación a una tabla de
comparación en la que se han almacenado los valores óptimos de la
proporción del ritmo de impactos respecto a la velocidad de rotación
para todas las combinaciones de parámetros, con el fin de obtener
los valores para los dispositivos relevantes de control de velocidad
de los motores.
A continuación, se describirán dos tipos de
martillo según la presente invención, a modo de ejemplo, haciendo
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra esquemáticamente un martillo
según la presente invención;
la figura 2 es una representación gráfica que
muestra la variación de extracción de material como una función del
diámetro del taladro;
la figura 3 es una representación gráfica del
espectro de vibración del martillo en la dirección del eje de la
broca cuando se utiliza un cincel de punta;
la figura 4 es una representación gráfica del
espectro de vibración del martillo en la dirección del eje de la
punta de trabajo cuando se utiliza un taladro de 20 mm;
la figura 5 es un diagrama de flujo que indica la
operación del martillo.
Haciendo referencia a las ilustraciones adjuntas,
en la figura 1 se muestra un martillo de percusión rotativo según el
diseño general que se muestra en la patente
GB-A-2.086.777. Esta forma de
martillo comprende un cuerpo envolvente (1), un soporte de
herramienta (2) que puede recibir una punta de trabajo (4), y un par
de motores eléctricos (6) y (8). El martillo incluye un husillo (10)
que sostiene el soporte de herramienta (2) y que puede girar
mediante un motor (6) y un mecanismo de accionamiento de rotación
que comprende un engranaje cónico (12) situado en el extremo del eje
de la armadura (14) del motor (6) y otro engranaje cónico (16) que
se forma en el extremo posterior del husillo que se enlaza con el
mismo. Se muestra esquemáticamente un mecanismo de martillo de cojín
de aire que comprende un mecanismo de biela manivela (18) accionada
por el eje de armadura (20) del motor (8) que está conectado a un
pistón (22) y que hace que el pistón se deslice en un movimiento
recíproco dentro del husillo. Una pieza de golpeado (24) se sitúa
también dentro del husillo y está conectada mecánicamente con el
pistón (22) mediante un cojín de aire formado en el husillo entre el
pistón y la pieza de golpeado, de manera que la pieza de golpeado se
deslizará hacia adelante y hacia atrás en el husillo como respuesta
al movimiento del pistón. La pieza de golpeado golpeará el extremo
posterior de la punta de trabajo (4) a medida que ésta se desplaza
hacia delante, y con ello provocará que la punta de trabajo golpee
la pieza de trabajo con la que está acoplada. Dado que el mecanismo
de accionamiento giratorio y el mecanismo del martillo son
accionados independientemente mediante motores distintos, la
proporción de impactos del mecanismo del martillo sobre la punta de
trabajo y la velocidad de rotación del husillo pueden variar
independientemente una de la otra para poder cambiar el número de
impactos por rotación de la punta de trabajo.
Se modifica el martillo añadiendo un pequeño
medidor de aceleración piezoeléctrico (26) que detecta la vibración
en la dirección del eje del husillo y la punta de trabajo, y otro
medidor de aceleración (28) que detecta la vibración en una
dirección perpendicular al eje del husillo. El resultado de los
medidores de aceleración se proporciona a un microprocesador (que no
se muestra) que controla los motores (6) y (8).
En la figura 2 se indica, de manera muy general,
una variación típica del ritmo de extracción de material a partir de
una pieza de trabajo de cemento como una función del diámetro de la
broca para un cierto número de impactos por revolución del taladro.
Para brocas muy pequeñas, en este caso de unos 8 a 10 mm, el ritmo
de extracción de material es relativamente bajo puesto que, en esta
zona, la energía de impacto del martillo es demasiado elevada para
el tamaño del orificio y el ritmo de formación de orificios está
limitado por la capacidad de extraer el polvo que se genera en el
orificio. A medida que se aumenta el diámetro de la punta de
trabajo, el ritmo de extracción aumenta hasta que se alcanza la
relación óptima entre el número de impactos por revolución y el
diámetro de la punta de trabajo. Si el diámetro aumenta aún más, el
ritmo de extracción de material cae en picado porque, en esta zona,
la energía de impacto del martillo es demasiado baja o la velocidad
de rotación del taladro es demasiado elevada, de manera que el
taladro salta en el interior del agujero que se forma.
Las figuras 3 y 4 son gráficos típicos de
espectros de vibraciones obtenidos a partir del medidor de
aceleración (26) que mide la vibración en la dirección del eje del
husillo con dos puntas de trabajo distintas, una con un diámetro de
8 mm y la otra con un diámetro de 20 mm. El espectro de vibración
del martillo que utiliza el taladro de 8 mm de diámetro presenta un
máximo de 40 a aproximadamente 70 Hz que corresponde con la
vibración fundamental, y cinco máximos sucesivos cuya intensidad
generalmente disminuye, a 140, 210, 280 340 y 370 Hz que
corresponden a la armonía, más allá de cuya frecuencia no pueden
apreciarse máximos claramente visibles. En contraste, en el espectro
de vibraciones del martillo que utiliza un taladro de 20 mm, la
intensidad de la vibración fundamental se reduce mientras que las
armonías segunda y cuarta a 140 y 270-280 Hz
resultan particularmente pronunciadas. Estos espectros de vibración
se muestran como ejemplos de espectros que pueden obtenerse para un
martillo determinado, pero los detalles de cada espectro dependerán
del diseño concreto del martillo. Pueden obtenerse espectros para
una gama de cada uno de los parámetros de funcionamiento, es decir,
para una gama de diámetros de taladro, dureza del cemento y
desviación de usuario, y el microprocesador está programado para
reconocer el espectro específico, o para reconocer características
de cualquier espectro que indiquen en cuál de los parámetros de
operación se basa. A continuación, el microprocesador ajusta la
velocidad relativa de los motores (6) y (8) para conseguir la
cadencia óptima de penetración.
Un tipo de martillo presenta un funcionamiento
como el que se muestra en la figura 5. En esta operación de bucle
abierto, se sitúan varios sensores para medir, por ejemplo, la
aceleración tanto en la dirección paralela como en la perpendicular
al eje de la herramienta, y opcionalmente el consumo de energía
instantáneo y/o la desviación de usuario. Se obtienen señales a
partir de los sensores cuando el martillo entra por primera vez en
la pieza de trabajo, y se introducen en el microprocesador que
calcula los parámetros de funcionamiento (diámetro de la punta de
trabajo, dureza del cemento y desviación de usuario (si no la
determina uno de los sensores)) a partir de las mismas. Al haber
determinado los parámetros de operación, el microprocesador obtiene
las velocidades relativas deseadas para los dos motores a partir de
una tabla de comparación utilizando los parámetros como variables de
entrada, para asegurar la óptima proporción de velocidad de
transmisión del motor del martillo respecto a la velocidad de
transmisión del motor de rotación, y establece estas velocidades
para el resto del funcionamiento del taladro.
Como alternativa, el microprocesador puede
repetir la operación cada pocos segundos de manera que los
parámetros de funcionamiento y, por lo tanto, las velocidades de
motor se restablezcan continuamente durante la operación de
taladrado. Esta operación tiene la ventaja de que las variaciones en
los parámetros de entrada tal como la dureza de material y la
desviación del usuario pueden establecerse por parte del
martillo.
Claims (12)
1. Martillo de percusión rotativo que comprende
un mecanismo de percusión (18, 22, 24) para golpear una punta de
trabajo (4) que se recibe en el martillo, y un mecanismo de
accionamiento giratorio (10, 12, 16) para hacer girar la punta de
trabajo, siendo el mecanismo de percusión y el mecanismo giratorio
variables de manera que la proporción del ritmo de impactos sobre la
punta de trabajo con respecto a la velocidad de rotación pueda
cambiarse, caracterizado porque el martillo incluye un sensor
(26, 28) para detectar por lo menos una propiedad que influye en el
funcionamiento del martillo, un procesador que determina un número
de parámetros de funcionamiento a partir de la propiedad, y que
determina a partir de los parámetros de operación la proporción
deseada de la proporción del ritmo de impactos con respecto a la
velocidad de rotación, y un medio para establecer el ritmo de
impactos y la velocidad de rotación en respuesta al procesador.
2. Martillo, según la reivindicación 1, que
incluye uno o más sensores adicionales.
3. Martillo, según la reivindicación 1 ó 2, que
incluye un sensor (26) para detectar la aceleración en la dirección
del eje de rotación de la punta de trabajo.
4. Martillo, según la reivindicación 2, que
incluye uno o más sensores (28) para detectar la aceleración en una
dirección perpendicular al eje de rotación de la punta de trabajo,
y/o un sensor para detectar la desviación del usuario.
5. Martillo, según la reivindicación 2, que
incluye un sensor para medir el ritmo de penetración del martillo en
la pieza de trabajo.
6. Martillo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, que incluye un sensor para detectar el
consumo de energía instantáneo del martillo.
7. Martillo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que los parámetros de funcionamiento
determinados por el procesador incluyen la dureza del material de la
pieza de trabajo, el diámetro del taladro (4), y/o la desviación del
usuario.
8. Martillo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que el procesador determina los
parámetros de funcionamiento comparando la intensidad del máximo de
vibración fundamental con la intensidad de la armonía en el espectro
de vibración.
9. Martillo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que el procesador determina la
proporción deseada entre el ritmo de impactos y la velocidad de
rotación mediante una tabla de comparación basada en datos
experimentales.
10. Martillo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que el procesador integra la señal
procedente del sensor de aceleración (en la dirección del eje de
rotación de la punta de trabajo (4)) para determinar la proporción
de penetración del taladro en la pieza de trabajo.
11. Martillo, según la reivindicación 10, en el
que el procesador integra la proporción de penetración del taladro
(4) en la pieza de trabajo para determinar la profundidad de
penetración del taladro en la pieza de trabajo.
12. Martillo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, que incluye un bucle de retroalimentación
en el que el valor de una cantidad que debe optimizarse es calculado
por el procesador a partir de datos obtenidos a partir del sensor o
sensores (26, 28) y se utiliza como un punto establecido en el bucle
de retroalimentación, y el valor efectivo de la cantidad que debe
optimizarse se mide y se resta del punto establecido para obtener
una señal de error, y la proporción del ritmo de impactos respecto a
la velocidad de rotación es ajustada por el procesador en respuesta
a la señal de error y a los datos obtenidos a partir del sensor o
sensores.
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