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El ektrowerkz eug
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Das Bearbeiten von Werkstücken aller Art sowie von Stein--und Betonwänden
mittels für die Arbeitsgänge Bohren, Scblagbohren oder Hainmerbohren konzipierten
Elektrowerkzeugen ist stets in irgendeiner Form mit dem Problem verknüpft, Bohrungen
von wenigstens einigeriuaßen genau definierter tiefe einzubringen. Zu diesem Zweck
werden, soweit die Voraussetzungen hierfür vorliegen, mechanische Tiefenanschläge
in Form von Längsstäben ver#yendct, die in der Regel in einem am Hals des infrage
kommenden Elektrowerkzeugs elbringbaren Handgriff längsverschiebbar gehaltert sind.
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Derartige Tiefenanschläge sind unter Berücksichtigung der infrage
kommenden Bohrerlängen verhältnismäßig sehr lang zu bemessen und daher sperrig und
häufig störend. Außerdem besteht die Gefahr, daß sich die Spannschraube für den
betreffenden Tiefenanschlag infolge von Vibrationen des Elektrowerkzeugs lockert,
so daß sich der Tiefenanschlag beim Auftreffen auf das Werkstück unter Umständen
unmerklich nach rückwärts verschiebt, so daß die betreffende Bohrung zu tief wird.
Ferner besteht die Gefahr, daß der Tiefenanschlag und/oder der Handgriff verlegt
wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Einstellung der
Eindringtiefe des Bohrers in das zu bearbeitende Werkstück für Blektrowerkzeuge
für bohrenden, hammerbohrenden und schiagbohrenden Betrieb zu schaffen, bei der
die Nachteile mechanischer Anschlagelemente vermieden. sind und optimale Betriebssicherheit
gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung
einen Schall:>ender und einen die von zu bearbein enden Gegenstand reflektierten
akustischen Signale aufnehmenden Empfänger enthält und dem Schallsender während
der Arbeitsphase des Elektrowerkzeugs über einen durch einen Auslöseimpuls gestarteten
Impulsgeber Impulse zugeführt werden und die Zeitdifferenz zwischen der Aussendung
jeweils eines Schallimpulses und dem Empfang des reflektierten Echos dieses Impulses
in ein entsprechendes Signal umgeformt wird, und daß die sich mit zunehmender Eindringtiefe
des Werkzeugs in den Gegenstand ändernden Signale fort+ahrend mit einem die vorgesehene
Bohrtiefe darstellenden Vergleichssignal verglichen werden und bei übereinstiitimung
des Istwertsignals mit dem vorgegebenen Vergleichs- bzw.
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Sollwertsignal ein Schaltvorgang ausgelöst wird.
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Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, die Zeitdifferenz
zwischen der Aussendung jeweils eines Schallimpulses und dem Empfang des reflektierten
Echos dieses Impulses in ein Signal mit einer der å eweils doppelten Gegenstandsentfernung
entsp#rechenden Impulsbreite umzuwandeln und die mit zunehmender Eindringtiefe des
Werkzeugs in den betreffenden Gegenstand geringer werdenden Impulsbreiten dieser
Signale fortwährend mit einem die vorgegebene Bohrtiefe bzw. Eindringtiefe des Werkzeugs
in den Gegenstand darstellenden Impuls zu vergleichen, so daß beim Auftreten
eines
Signals von gleicher Impulsbreite oder Bauer wie das Vergleichssignal der Schaltvorgang
ausgelöst wird.
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Nach einem weiteren Geda£çen der Erfindung kann die Zeitdifferenz
zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung jeweils eines Schallimpulses und dem Eingang
des reflektierten Echos dieses Impulses auch in ein Signal mit einer der doppelten
Gegc#nstandsontfernung entsprechenden Amplitude umgeformt werden und die sich mit
zunehmender Eindringtiefe verändernden Amplituden dieser Signale können mit einer
die gewünschte Bohrtiefe darstellenden Amplitude verglichen werden und beim Auftreten
eines Signals mit einer der Vergleichsamplitude entsprechenden Amplitude der Schaltvorgang
ausgelöst werden.
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Die Erfindung wird im nachstehenden anhand einer beispielsweisen,
im Prinzip dargestellten Schaltanordnung in Verbindung mit einem Elektrowerkzeug
in Form einer Schlagbohrmaschine erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht der Schlagbohrmaschine, die mit
einem Schallsender und dem zugehörigen Empfänger ausgerüstet ist, unmittelbar vor
Inbetriebnahme, Fig. 2 eine Teilansicht der Maschine gemäß Fig.1 mit in die vorgesehene
Tiefe eingedrungenem #ierkzeug, Fig. 3 eine Schaltanordnung, bei der die Zeitdifferenz
zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung des jeweiligen Schallimpulses und dem Zeitpunkt
des Empfangs des reflektierten Echos dieses Impulses jeweils in eine entsprechende
Impuls breite bzw. in einen entsprechenden Impulsbreitenab stand umgesetzt wird,
Fig
4 eine PIinzipschaltung eines Bohrticfen-Einstellgenerators Fig. 5 ein Schaltungsbeispiel
eines Inpul sbreitendiskriminators, Fig. 6 ein Ausfii#hrungsbeispiel einer mit Transistoren
bestückten Brückenschalti"ng.
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Die durch die Figuren 1 und 2 veranschaulichte Schlagbolir maschine
1 ist mit einem Schallsenaer 2,2' und einem Empfänger 3,3' für den Empfang der vom
Gegenstand 4 z.B. in Form einer Betonwand reflektierten akustischen Impulse ausgerüstet.
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In der Baueinheit Schallsender-Schallempfanger sind zweckmäßigerweise
auch die für die Einstellung und Auswertung erforderlichen elektrischen und elektronischen
Bauelemente untergebracht, so daß die Voraussetzung für ein abnehmen bzw. Auswechseln
der kompletten Vorrichtung zum Einstellen der Eindringtiefe des Werkzeugs in den
zu bearbeitenden Gegenstand vorliegt und unter gewissen Umständen sogar die Möglichkeit
besteht, Elektrowerkzeuge nachträglich noch mit einer solchen Anordnung zum berührungslosen
Einstellen der jeweils gewünschten Bohrtiefe sowie zum selbsttätigen Stillsetzen
des Werkzeugs, wenn das Werkzeug die gewünschte bzw. vorgegebene Tiefe im Gegenstand
erreicht hat, auszustatten.
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Die Einheit Schallsender-Schallempfänger ist auf dem Getriebegehäuse
5 der Schlagbohrmaschine 1 vorzugsweise abnehmbar angeordnet. Bei an der Betonwand
4 anliegenden Bohrer 6 ist die Entfernung e vom Schallsender bzw vom Schallempfänger
zur Wand eindeutig definiert. Diese Entfernung wird im selben Naß geringer, wie
der Bohrer 6 in die Wand eindringt. Hat der Bohrer die Tiefe s erreicht, so beträgt
der Abstand des
noch Schallsenders bzw. Schallempfängers/e' = e
- s. Das heißt, e und e' sinc die beiden Grenzwerte, llobei im Falle des Gegenstandsabstandes
e' die Bohrmaschine automatisch abschaltet oder zumIndest ein Signal ausgelöst wird,
das die Bedienungsperson darauf aufmerksam nacht, daß die vorgesehene Bohrtiefe
erreicht ist.
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Die benötigte Laufzeit der einzelnen Schallimpulse vom Sender zur
Betonwand und die Laufzeit des von der Betonwand jeweils reflektierten Schallimpulses
bis zum Empfänger definiert unter der Voraussetzung gleicher Schallgeschwindigkeit
und gleichem Abstand des Schall.senders und Schallempfängers von der Betonwand die
doppelte Entfernung der Betonwand von der berührungslosen Tiefenmeßvorrichtung.
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Die doppelte Gegenstandsentfernung ist nun bei an der Betonwand anliegendem
Bohrer, also beim Abstand. e, der obere Grenzwert, im Falle der Eindringtiefe s
des Bohrers in die Betonwand. der untere Grenzwert e' = e- s. Sämtliche zwischen
diesen beiden Grenzwerten liegenden Entfernungswerte werden somit beim Bohrvorgang
durchlaufen.
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Ordnet man nun dem oberen Grenzwert (Entfernung e) ein der doppelten
Gegenstandsentfernung entsprechendes Signal zu, zum Beispiel in Form einer entsprechenden
Breite (Länge, Dauer) eines Impulses, und gibt man andererseits eine der Gegenei
standsentSernung)im Falle der Eindringtiefe s des Bohrers in die Betonwand (e'=e-s)
im Verhältnis geringere Impulsbreite vor, so nähert sich die mit zunehmender Eindringtiefe
des Bohrers in die Betonwand infolge der geringer werdenden Zeitdifferenzen der
laufend ausgesandt an und reflektierten Schallimpulse abnehmende Impulsbreite bzw.
Impulsdauer stetig der dem unteren Grenzabstand e' zugeordneten Sollimpulsbreite.
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Stimmen Istwertimpulsbreite und Sollwertimpulsbreite schließlich überein,
so wird entweder der Antriebsmotor des Elektrowerkzeugs selbsttätig abgeschaltet
oder wenigstens ein optisch oder akustisches Signal ausgelöst.
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Wie aus dom Prinzipschaltbild gemäß Fig.3 ersichtlich ist, werden
dem Sender 2 zum Beispiel in einen flultivibrator 7 erzeugte Impulse m in regelmäßiger
Folge und in gleichen zeitlichen Abständen zugeführt. Der dem Sender nachgeschaltete
elektrisch-akustische Wandler 2' strahlt dann eine entsprecherdc-Folge akustischer
Impulse aus. Diese Impulse werden nach dem Auftreffen auf die Betonwand 4 reflektiert
und gelangen zurück zu einem akustisch-elektrischeß Wandler 3', der ein entsprechendes
Empfangssignal erzeugt, das dem inlpfanger 3 zugeführt und in diesem verstärkt wird
und das dann in einer entsprechenden Wellenform r einem Signalerzeuger S: zugeleitet
wird, der auch den Zeitimpuls m erhält. Der zum Beispiel als Lese-Flip-Flop ausgebildete
Signalerzeuger 8 liefert ein Ausgangssignal z, dessen Impulsbreite bzw. -dauer jeweils
der augenblicklichen doppelten Gegenstands entfernung entspricht (Abstand vom Impulsbeginn
m bis zum Eintreffen des reflektierten Schallimpulses r).
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Der die tatsächliche Gegenstandsentfernung darstellende Impuls z gelangt
dann zu einem Impulsbreitendiskriminator 9, der ebenfalls den Zeitgeberimpuls m
erhält und dem auch das Impulssignal h zugeführt wird, das die vorgewählte Bohrtiefe
s repräsentiert und das durch einen Einstellgenerator 10 erzeugt wird.
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Das Signal, das für das Abschalten des Antriebsmotors und/oder das
Auslösen einer akustischen und/oder optischen Warnung erforderlich ist, wird am
Ausgang des Impulsbreitendiskriminators 9 erhalten der das-die jeweilige doppelte
Gegenstandsentfernung
darstellende Signal z (Impulsbreite) mit dem Vergleichs bzw. Soll signal h (Impulsbreite)
im Rhythmus der Signalfelgen ständig vergleicht.
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Der das Sollsignal h erzeugende Einstellgenerator 10, der ebenfalls
durch den Zeitgeberimpuls m getriggert wird, enthält, wie Fig.4 zeigt, beispielsweise
ein Einstelipotentiometer 11 und einen Kondensator 12, dessen Kapazität zweckmäßigerweise
ebenfalls veränderbar ist. ~Die Breite des Signalimpulses h wird dabei durch den
Widerstand des Potentiometers 11 bzw.
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eines Einsteliwiderstandes bestimmt. Das Einstellpotentiometer 11
oder der Einstellwiderstand sind dabei von außen zugänglich an oder im Bereich der
erfQndungsgemäßen#Einstellvorrichtung angebracht.
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Solange die Impulsbreite oder -dauer des Entfernungssignals z noch
größer ist als diejenige des Vergleichs- bzw. Sollwertsignals h, steht am Ausgang
dc s des Impulsbreitendiskriminators 9 der 7#ustand 1-0 an. Das bedeutet, daß beispielsweise
eine an den Ausgang dieses Diskriminators angeschlossene Brückenschaltung 13 eingangsseitig
den Signalzustand 1-0 aufweist.
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Dieses Signal ist im vorliegenden Fall ein Fehlersignal und hat zur
Folge, daß z.B. die Spule eines im Nullzweig der Brücke liegenden Schützes oder
Relais 14 erregt und damit auch die Zuleitung 15 zum Antriebsmotor 16 über den Kontakt
17 geschlossen bleibt. Anstelle eines Schützes oder Relais kann auch ein kontaktloser
Schalter verwendet werden.
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Bei erregter Schützspule ist auch die Zuleitung 18 zu einer Lampe
19 und einem Summer 20 unterbrochen.
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Wenn die Breite der Impulse h und z gleich ist, ergibt sich eine Nullbedingung.
Das heißt, am Ausgang des Impulsbreitendiskriminators 9 steht der Zustand 0-0 an,
der zugleich am Eingang der Brückenschaltung 13 vorliegt. Dies hat zur Folge, daß
das Schütz 14 abfällt und den Antriebsmotor 16 von der
Speiseleitung
15 trennt. Ist lediglich ein Schütz für das Auslösen von Warnsignalen vorhanden,
dann leuchtet im Signalzustand 0-0 die Lampe 19 auf und der Summer 20 spricht an.
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Erforderlichenfalls können zur Anpassung der Signale h und z an bestimmte
Steuerkreise zwischen dem Ausgang des Impulsbreitendiskriminators 9 und dem Eingang
der Brücke 13 auch Impulsstreckstufen vorgesehen sein.
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Der Impulsbreitendiskriminator 9 kann auch so beschaffen sein, daß
an dessen Ausgang neben den Schaltzuständen 1-0 und 0-0 auch der Schaltzustand 0-1
auftreten kann. Dieser Schaltzustand, der sich im Falle einer geringeren Impulsbreite
des Entfernungssignals z als diejenige des Sollwertsigna1s h einstellen würde, könnte
entweder für eine Drehrichtungsumkeh.
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des Antriebsmotors nutzbar gemacht werden oder das selbsttätige Abschalten#des
Antriebsmotors veranlassen, wenn nach dem Auftreten des Schaltzustands 0-0 am Ausgang
des Inpulsbreitendiskrimbiators 9 der Antriebsmotor nicht automatisch stillgesetzt
wird, sondern lediglich ein Warnsignal erscheint oder ertönt und die Bedienungsperson
dieses aus irgend einem Grund nicht wahrnimmt und daher weiterbohrt. Das nichtautoma
tische Stillsetzen des Antriebsmotors nach Erreichen der gewünschten Eindringtiefe
des Bohrers und daher lediglich eine optische und/oder akustische Anzeige dieses
Zustandes ist immer dann vorteilhaft, wenn die Gefahr besteht, daß der Bohrer im
Werkstück verhakt, wenn der Antriebsmotor unmittelbar nach erreichter Eindringtiefe
des Bohrers selbsttätig abschaltet.
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Gegebenenfalls kann auch eine Umschalteinrichtung vorgesehen werden,
die alternativ ein selbsttätiges Stillsetzen des Antriebsmotors oder eine akustische
und/oder optische Signalanzeige ermöglicht. Eine solche Umschalteinrichtung ist
beispielsweise dadurch realisierbar, daß der Ausgang der Meßbrücke 13 mittels eines
Umschalters vom Schütz 14
getrennt und an ein anderes Schütz angeschlossen
wird, das lediglich den Stromkreis für die Lampe 19 und/oder den Sumuer 20 öffnet
und schließt, hingegen die Motorzuleitung nicht unterbrechen kann.
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Der Einstellgenerator 10 gemäß Fig.4 empfängt den Zeitgebe impuls
m über die Leitung 21. Dieser Impuls gelangt zu einem NOR-Gat-ter 22, das im ungetriggerten
Zustand einen Ausgang s hält. Im Falle des Triggerns durch den Impuls des Signals
m erhält der Ausgang des Gatters 22 den Zustand ogr. Hierdurch wird bewirkt, daß
der Kondensator 12 über das Potentiometer bzw. den Einstollwiderstand 11 aufgeladen
wird. Wenn der Kondensator 12 aufgeladen wird, wird der Verstärker 23 erregt.
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Dieser Verstärker liefert dann einen Impuls h mit einer durch das
für das Aufladen des Kondensators erforderliche Zei.tintervall bestimmten Breite.
Für die Breite des Signalimpulses h ist dabei der Wert des Einstelb#derstands 11
maßgebend. Der Einstellwiderstand 11 ist von außen zugänglich und z.B. mittels eines
Stellrads 24 einstellbar.
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Die Rückführung23' vom Ausgang des Verstärkers 23 zum Eingang des
Gatters 22 dient dem Zweck, dieses Gatter ständig im aktiven Zustand zu halten,
wenn sich der Kondensator 12 auflädt.
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Der in Fig.5 dargestellte Impulsbreitendiskriminator 9 kann an seinen
beiden Ausgängen drei Zustände annehmen, nämlich die Zustände 1-0, 0-1 und 0-0.
Der zuletzt genannte Zustand beschreibt die Bedingung, daß die Breiten der beiden
miteinander zu vergleichenden Impulse z und h einander gleich sind. In diesem Falle
wird entweder der Antriebsmotor 16 gegebenenfalls bei gleichzeitiger Warnsignalgabe
stillgesetzt oder es erfolgt lediglich eine Warnsignalgabe.
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Der Zustand 1-0 besagt, daß die Breite des Impulses z größer ist als
diejenige des Vergleichs- bzw. Sollwertimpulses h,
so daß demnach
weitergebohrt werden kann. Im Falle des Zustandes 0-1 ist die Breite des Impulses
z geringer als die Breite des Impulses h. Das würde bedeuten, daß bereits zu tief
gebohrt worden ist. Bezüglich dieses Zustandes darf im übrigen auf die bereits erwähnten
Nöglichkeiten hingewiesen werden.
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Der Impulsbreitendiskriminator 9 erhält die Impulse z und <, also
den die jeweilige Gegenstandsentferrsung repräsentierende Impuls und den Vergleichs-
bzw. Sollwertimpuls.
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Das NAND-Gatter 25 des Diskriminators erhält einen Impuls z und gleichzeitig
einen Impuls h' von Ausgang des NAND-Gatter 26.
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Der Impuls h' repräsentiert dabei den invertierten Impuls h.
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Das NAND-Gatter 25 spricht auf eine logische Summierung von Signalen
an, die aus den Impulsen z und h' abgeleitet sind.
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Das NAND-Gatter 27 empfängt die Signalimpulse h und gleichzeitig die
Signalimpulse z', welche im NA##-Gatter 28 invertierte z-Impulse sind. Das NÄND-Gatter
27 spricht ebenfalls auf eine logische Summierung der aus den Impulsen h und z'
abgeleiteten Impulse an.
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Wenn die Breite der Impulse z und h gleic#h ist, erscheint an beiden
Ausgängen des Diskriminators der Signalzustand 0, das heißt, der Zustand 0-0. Dieser
Zustand zeigt an, daß die gewünschte Bohrtiefe erreicht ist und veranlaßt dementsprechend
die bereits beschriebenen Schaltvorgänge.
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Im Falle eines der Brückenschaltung 13 gemäß Fig.6 über die Leitung
29 zugeführten Signals werden die Basis des Transistors 30 sowie der Transistor
31 über die Leitung 32 erregt.
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Der Leitzustand dieser beiden Thyristoren bewirkt, daß der Strom von
einer Spannungsquelle 33 über den Transistor 31 zu.einer Anschlußklemme 34 des Schützes
bzw. Relais 14 fließt, dessen andere Anschlußklemme 35 über den Transistor 30 an
Erde liegt.
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Sinngemäß würde die Spule des Schützes oder Relais 14 in entgegengesetzter
Richtung von einem Strom durchflossen werden, wenn an der Leitung 35 ein Signal
anstehen amrde. In diesem Fall wäre die Basis der Transistoren 37 und 38 erregt,
wodurch sich diese im leitfähigen Zustand befinden und einen Stromfluß von der Spairnungsquelle
33 über den Transistor 38 zur Anschlußklemme 35 des Schützes oder Relais 14 und
von dessen Klemme 34 über den Transistor 37 zur Erde bewirken würden.
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Ein Stromfluß hat somit die Erregung der Spule des Schützes oder Relais
14 zur Folge, so daß dessen Anker anzieht und den im #otorstromkreis liegenden Kontakt
17 schließt. Der Bohrvorgang geht nun solange ungehindert vonstatten, bis am Eingang
der Brücke 13 kein Signal mehr ansteht (0-0) und demgemäß auch kein Strom mehr durch
die Spule des Schützes oder Relais 14 fließt. Daher fällt dessen Anker ab und unterbricht
die Stromzuleitung 15 zum Antriebsmotor 16 der Schlagbohrmaschine. Diese ist damit
vom speisenden Netz abgeschaltet.
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Wird lediglich ein Warnsignal als Hinweis auf die erreichte Sollbohrtirfe
gewünscht, bleibt die Stromzuführungsleitung 15 zum Motor 16 geschlossen und das
Schütz 14 umfaßt, wie auch in Fig.1 angedeutet ist, in diesem Fall lediglich einen
Kontakt 39, der beim Stromloswerden der Schützwicklung den Stromkreis für die Glühlampe
19 und den Summer 20 schließt, solange der Schalter 40 betätigt wird. Der Schalter
40, der durch einen Drücker 41 gege.l die Kraft der Rückstellfeder 42 betätigt wird,
startet auch den Multivibrator 7. Die der Basis der Transistoren zugeordneten Widerstände
dienen zur Strombegrenzung.
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Das Zuschalten der Vorrichtung zum selbstätigen Einstellen der Bohrtiefe
bzw. zum selbsttätigen Abschalten des Antriebsmotors des betreffenden Elektrowerkzeugs
und/oder zur Warnsignalgabe nach dem Erreichen der vorgewählten Bohrtiefe
kann
beispielsweise mittels eines Ein- und Ausschalters 43 am Netzteil 44 erfolgen (Vergl.
hierzu auch Fig.15.
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Um die Nöglichkeit zu haben, die Einstellvorrichtung unwirksam zu
machen und das Elektrowerkzeug, also beim Ausführungsbeispiel die Schlagbohrmaschine,
unabhängig von der erfindungsgemäßen Vorrichtung betreiben zu können, ist ein Überbrückungsschalter
45 vorgesehen. Wenn dieser Schalter betätigt ist, wird ein Einschalten der Einstellvorrichtung
durch eine elektrische Verrie#eliing automatisch verhindert.
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Die Entfernungsmessung mittels Schallwellen vorzugsweise von Ultraschal].frequenz
kann auch dadurch erfolgen, daß die Schallwellen beispielsweise mittels eines Sägezahngenerators
so mudoliert werden, daß ihre Frequenz stetig zunimmt und danach wieder auf den
Ausgangswert zurückgeht.
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Die reflektierten Schallwellen gelangen bezogen auf di ausgestrahlten
Schallwellen mit einer Zeitverzögerung zum Empfänger 3'3, die umso größer ist, je
größer der Abstand der Betonwand 4 vom Sender 2,2' ist. Infolge der sägezahn förmigen
Modulation haben die reflektierten Schallwellen eine niedrigere Frequenz als die
ausgestrahlten Wellen.
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Die Differenz der Schwingungszahl der vom Sender 2,2' abgestrahlten
Schallwellen und der Schwingungszahl der reflektierten, auf den Empfänger 3,3' gelangenden
Schallwellen stellt dann jeweils ein Naß für die augenblickliche Eindringtiefe des
Bohrers in die Betonwand dar. Nach dem Erreichen (Istwert) eines der vorgewählten
Bohrtiefe (Sollwert) entsprechenden Differenzwertes zwischen den ausgesandten und
reflektiertFn Schallschwingungen werden dann die bereits mehrfach beschriebenen
Schaltvorgänge ausgelöst.
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