DE4334933A1 - Verfahren und Vorrichtung zum zwangsweisen Abschalten von handgeführten Arbeitsmitteln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 und die entsprechende Vorrichtung dazu. Bei Arbeitsmitteln mit rotierenden Werkzeugen, wie Winkelschleifer, Handkreissägen und Bohrmaschinen, kommt es entweder durch Bedien-, durch Werkstückfehler oder Zerstörung des Werkzeuges immer wieder dazu, daß beispielsweise durch Verkantung des Werkzeugs plötzlich Kräfte auf das Arbeitsmittel wir­ ken, die durch den Bediener nicht mehr beherrscht werden können und es zu schweren Verletzungen kommen kann.

Als vorherrschende Abschaltsicherung werden überwie­ gend entweder Rutschkupplungen oder thermisch wirken­ de Bimetallabschaltsicherungen in solche Arbeitsmit­ tel eingebaut, deren Abschaltung infolge der hohen Zeitkonstante viel zu spät bzw. in bestimmten Notfäl­ len überhaupt nicht erfolgt, da die erforderliche Erwärmung ausbleibt oder das Sicherungssystem zu trä­ ge ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Möglichkeit zu schaffen, handgeführte Arbeitsmittel mit rotieren­ den Werkzeugen schnell, sicher und mit geringem Auf­ wand abzuschalten, um die Gefahr des Bedienpersonals in Notsituationen zu verringern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 für das Verfahren und des Anspruchs 6 für die Vorrichtung enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen.

Während des normalen Betriebszustandes treten Schwingbeschleunigungen in alle drei möglichen Raum­ richtungen auf und können mit geeigneten Schwingungs­ sensoren erfaßt und über die Zeit aufgenommen werden. Als Sensoren kommen ein- bzw. mehrachsig messende Beschleunigungssensoren in Frage, die über eine nor­ male, d. h. über keine ausgesprochen feine Empfind­ lichkeit verfügen müssen. Die so gemessenen Kurven weisen stochastischen Charakter auf, und es treten relativ große Abstände von Spitze zu Spitze auf. Zwi­ schen den gemessenen Amplituden kommt es zu regelmä­ ßigen Vorzeichenwechseln. Dies führt dazu, daß die Gerätemasse, also das Arbeitsmittel nicht in trans­ latorische oder rotierende Bewegung beschleunigt wird. Stellt sich aber ein Handhabungsfehler ein und das Arbeitsmittel mit dem Werkzeug verkantet, wenn sich dieses im formschlüssigen Eingriff mit dem Werk­ stück befindet, oder es treten anderweitig betriebs­ bedingt schlagartig infolge des Werkstückeingriffes im Werkstück hohe Kräfte auf, wird das Arbeitsmittel infolge dieses Kraftangriffes translatorisch oder rotatorisch beschleunigt, und diese Beschleunigung wirkt nicht nur auf das Arbeitsmittel, sondern wird vom Schwingungssensor sehr schnell erfaßt. Dies kann nun dahingehend ausgenutzt werden, daß bei ständiger Bestimmung des zeitlichen Verlaufes der gemessenen Beschleunigungswerte in einer vorgegebenen Zeitinter­ vallgröße überprüft wird, ob die Funktionswerte der Summationskurve innerhalb dieses Intervalls Null­ durchgänge aufweisen oder ob solche Durchgänge nicht vorhanden sind. Das Nichtvorhandensein solcher Null­ durchgänge kann ein Indiz dafür sein, daß durch einen von außen auf das Arbeitsmittel wirkenden Einfluß eine Gefahr für das Bedienpersonal hervorgerufen wer­ den kann. In dem Fall, in dem eine Kraft vom Werkzeug auf das Arbeitsmittel wirkt und das Arbeitsmittel translatorisch oder rotatorisch beschleunigt wird, tritt nämlich der Effekt auf, daß die Funktionswerte bzw. deren mathematisch weiter bearbeiteten (z. B. Differenzierung) Äquivalentwerte, im betrachteten Zeitintervall in eine Richtung verschoben sind und keine Nulldurchgänge mehr auftreten.

Dies kann in einem analogen bzw. nach erfolgter Digi­ talisierung der Meßwerte auch digital in einem elek­ tronischen Vergleicher überwacht werden, und sollte nach einem vorgegebenen Zeitraum kein Nulldurchgang, also ein Vorzeichenwechsel zwischen gemessenen oder deren bearbeiteten Schwingungsbeschleunigungswerten erfolgt sein, kann auf elektronischem Wege ein Signal erzeugt werden, das zumindest den Antrieb des Werk­ zeuges abschaltet und mit etwas höherem Aufwand eine auf das Werkzeug einwirkende Bremse aktiviert und/ oder eine zwischen Werkzeug und Antrieb vorhandene Kupplung getrennt wird.

Während des normalen Betriebes treten jedoch auch Betriebszustände auf, in denen zwar ein ähnlicher Einfluß auf das Arbeitsmittel ausgeübt wird und es infolgedessen ebenfalls dazu kommen kann, daß eine Summationskurve ermittelt wird, die keine Nulldurch­ gänge aufweist und in solchen Fällen unerwünschter­ weise ebenfalls abgeschaltet wird.

Solche Zustände sind beispielsweise die Bewegung des Arbeitsmittels außerhalb des Werkstückes, das An­ schneiden des Werkstückes, pendelnde Arbeitsbewegun­ gen und das Herausziehen des Werkzeuges aus dem Werk­ stück. Um ein Abschalten in solchen Arbeitssituatio­ nen zu verhindern, werden die für solche Arbeitsgänge typischen Funktionswerteverläufe in digitalisierter Form innerhalb einer Wissensbasis eines Speicher­ chips, der sich im Arbeitsmittel befindet, abgelegt und ebenfalls mit dem momentan ermittelten Funktions­ werteverlauf der Schwingungsbeschleunigung ver­ glichen. Ergibt dieser Vergleich eine Übereinstimmung der untereinander verglichenen Funktionswertverläufe, obwohl innerhalb des betrachteten Intervalls keine Nulldurchgänge ermittelt wurden, wird die Generierung eines Abschaltsignales verhindert, da ein Betriebs­ zustand erkannt wurde, der keine Abschaltung erfor­ derlich macht.

Um einen solchen Sachverhalt noch sicherer feststel­ len zu können, kann parallel zu dem gemessenen Schwingungssignal auch eine andere Meßgröße ermittelt werden, die repräsentativ für den Antriebszustand des Arbeitsmittels ist. Hierzu bietet sich die Stromstär­ ke an, die indirekt auf die Belastung, die auf das Werkzeug wirkt, schließen läßt. Dabei werden die Cha­ rakteristik und die Einzelbeträge der Funktionen a(t) und I(t) oder deren geeignete mathematische Umfor­ mungen herangezogen. Als Umformungen bieten sich ne­ ben den differenzierten Funktionswertverläufen auch Bearbeitungen von Mittelwertverläufen an.

Es wird also genau wie bei der Schwingungsmessung verfahren, also das gemessene Stromstärkesignal in einem vorgegebenen Intervall mit ebenfalls in der Wissensbasis abgespeicherten repräsentativen Strom­ stärkeverläufen für Zustände, in denen ein Abschalten der Maschine unterbleiben soll, verglichen, und das Signal zur Abschaltung des Antriebes wird nur er­ zeugt, wenn alle Vergleiche das gewünschte Ergebnis erreicht haben und ein Zustand erkannt worden ist, der eine Gefahr für das Bedienpersonal heraufbeschwö­ ren kann.

Für den Vergleich der gemessenen Stromstärke über der Zeit mit den in der Wissensbasis abgelegten repräsen­ tativen Stromstärkeverläufen kann auch ein Differen­ zierglied zwischengeschaltet sein, so daß der Ver­ gleich nicht mit den direkt gemessenen Stromstärke­ werten durchgeführt wird, sondern die Meßwerte erst differenziert werden und der Vergleich mit den diffe­ renzierten und den entsprechend differenziert abge­ legten Werten durchgeführt wird.

Das Verfahren kann unter Verwendung von nur einem Schwingungsaufnehmer, der bevorzugt sehr fest, d. h. spielfrei am bzw. im Gehäuse des Arbeitsmittels befe­ stigt ist, durchgeführt werden. Für die Anbringung des Sensors sollte berücksichtigt werden, daß der Angriff der unerwünschten Kräfte in gefährlichen Be­ triebssituationen am Werkzeug erfolgt und durch den Schwingungssensor gut aufgenommen werden kann. Er sollte deshalb entweder in der Nähe des Werkzeuges oder unter Berücksichtigung eines entsprechenden He­ bels im Griffbereich des Arbeitsmittels angeordnet sein. Nach Durchlaufen der Meßwerte in einem Analog- Digital-Wandler wird aus den ermittelten, nun in di­ gitalisierter Form vorliegenden Meßwerten der Funk­ tionswertverlauf für ein ausreichend kleines Zeitin­ tervall bestimmt. Anschließend werden sämtliche Funktionswerte einem Vergleicher daraufhin überprüft, ob Nulldurchgänge aufgetreten sind oder nicht. Soll­ ten keine Nulldurchgänge ermittelt worden sein, wird zumindest die Bereitschaft für die Erzeugung eines Abschaltsignales hergestellt, oder in einer einfachen Ausführungsform der Erfindung das Signal direkt zum Antrieb geleitet und der Antrieb ausgeschaltet und gegebenenfalls eine Bremseinrichtung aktiviert, die direkt auf das rotierende Werkzeug wirkt und schnell­ stmöglich abbremst, um die Verletzungsgefahr so weit wie möglich auszuschließen.

Soll jedoch ein zwangsweises Abschalten auch in Ar­ beitssituationen vermieden werden, die für das Be­ dienpersonal keine Gefahr hervorrufen, jedoch allein mit dem Vergleich, ob Nulldurchgänge aufgetreten sind oder nicht, ermittelt werden können, ist ein zusätz­ licher Vergleich erforderlich. Hierbei wird der Funk­ tionswerteverlauf des betrachteten Intervalls entwe­ der parallel oder seriell zum erstgenannten Vergleich in einem weiteren Vergleicher mit den in der Wissens­ basis abgespeicherten Funktionswerteverläufen, die für Zustände repräsentativ sind, die keine Abschal­ tung erfordern, verglichen. Ergibt dieser Vergleich, daß keine Übereinstimmung der Funktionswerteverläufe vorhanden ist, wird das Abschaltsignal endgültig freigegeben, und die Signalbereitstellung zu einer Notabschaltung kann erfolgen.

Für den Fall einer noch größeren Sicherheit gegen unerwünschtes Abschalten, d. h. einer noch sicheren Erkennbarkeit solcher Zustände, in denen nicht abge­ schaltet werden soll, wird in einem weiteren zusätz­ lichen Vergleicher der mit einem zusätzlichen Strom­ stärkemeßsensor ermittelte Stromstärkeverlauf mit ebenfalls in der Wissensbasis abgespeicherten Strom­ stärkeverläufen verglichen. Das Abschaltsignal wird nur dann erzeugt, wenn auch in diesem Fall eine Über­ einstimmung des gemessenen mit einem in der Wissens­ basis gespeicherten Verlauf ermittelt wird. Zusätz­ lich ist zu prüfen, ob die Bedingung dI/dt<0 erfüllt ist, d. h. daß die Last, die dem Antrieb abverlangt wird, ansteigt. Damit wird angezeigt, daß eine Be­ triebssituation zu bewerten ist, die kritisch sein kann und die Generierung eines Abschaltsignales über­ haupt erforderlich ist. Es wird vermieden, daß in dem Fall in dem kein Lastanstieg ermittelt wird, bei­ spielsweise, wenn das Werkzeug aus dem Einflußbereich des Werkstückes entfernt wird, abgeschaltet werden kann.

Der Vergleich kann natürlich auch erfolgen, nachdem die entsprechenden Meßwerte einer Differenzierung unterzogen worden sind und der Funktionswerteverlauf der differenzierten Werte mit den dann in der Wis­ sensbasis abgelegten Werten erfolgt.

Der Fig. 1 ist ein stochastischer Verlauf der gemes­ senen Schwingbeschleunigung in einem ganz normalem Betriebszustand zu entnehmen. Im Gegensatz dazu zeigt das in Fig. 2 dargestellte Diagramm, wie durch einen äußeren Einfluß die Funktionswerte a(t) der gemesse­ nen Beschleunigung innerhalb eines vorgegebenen Zeit­ intervalles T in eine Richtung ausgelenkt wird und die einzelnen Funktionswerte a(t) lediglich mit einem gemeinsamen Vorzeichen behaftet sind (sign (a(t))= const.), es sind also keine Nulldurchgänge zwischen einzelnen Funktionswerten mehr ermittelbar.

Den Fig. 3 bis 6 sind typische Beschleunigungs- bzw. Stromstärkeverläufe für das Beispiel eines Trennschleifgerätes zu entnehmen, die für Be­ triebszustände stehen, in denen eine Notabschaltung nicht gewünscht wird, die aber die regelungstechni­ schen Voraussetzungen für eine Signalbereitstellung erfüllen würden.

So kann man in den Diagrammen, die in Fig. 3 wieder­ gegeben sind, beispielsweise den typischen Stromstär­ keverlauf bei Leerlauf erkennen, also in dem Zustand, in dem das Werkstück nicht in Eingriff mit dem Werk­ zeug ist. Die Diagramme, die in Fig. 4 dargestellt sind, stehen für den Anschneidvorgang des Werkstüc­ kes, Fig. 5 repräsentiert pendelnde Arbeitsbewegungen und Fig. 6 das Herausziehen des Werkzeuges aus der Trennfuge.

Es müssen also diese Funktionswertverläufe in der Wissensbasis, beispielsweise eines Mikrocomputers, für den Vergleich mit den ermittelten entweder nur Beschleunigungsmeßwerten und/oder den Stromstärkemeß­ werten zur Verfügung gestellt werden.

Fig. 7 spiegelt dagegen die Funktionswerteverläufe für das Verkanten der Trennscheibe eines Trennschlei­ fers wieder, das eine Notabschaltung bzw. Abbremsung des Werkzeuges erforderlich macht. Sollten also sol­ che Funktionswerteverläufe für Schwingungsbeschleuni­ gung und/oder Stromstärke ermittelt worden sein, so kann ein Vergleich mit den unter Fig. 3 bis 6 gezeig­ ten Funktionswerteverläufen, die in der Wissensbasis abgespeichert wurden, nur zu dem Ergebnis führen, daß keine Übereinstimmung vorliegt und demzufolge eine Abschaltung zwingend erforderlich wird.

Im folgenden soll eine Möglichkeit zur gezielten Ge­ nerierung eines Abschaltsignales bei einer Verkantung des Werkzeuges bei Trennschleifern beschrieben wer­ den.

Mit einer Abtastrate von 4 kHz wird die Schwingungs­ beschleunigung am Trennschleifgerät in zwei Ebenen gemessen. Hierfür kann entweder ein geeigneter Sensor oder für jede Ebene ein gesonderter Sensor verwendet werden. Die Meßebenen müssen einen ausreichende Nei­ gung zueinander aufweisen, um jede mögliche Verkan­ tung und die damit hervorgerufene Kraftwirkung auf das Arbeitsmittel schnell und sicher erkennen zu kön­ nen. Der Neigungswinkel der beiden Meßebenen zuein­ ander sollte mindestens 30° betragen.

Es ist wesentlich, daß der zeitliche Abstand zwischen den gemessenen Beschleunigungswerten konstant ist oder nach Bildung der Zeitfunktion, die Funktionswerte (Beschleunigung/Zeit) in zeitlich gleichem Abstand (äquistant) für jede Meßebene in einen Zähler eingelesen werden. Der Vorgang des Ein­ lesens in den Zähler beginnt jeweils mit dem Null­ durchgang eines ermittelten Beschleunigungswertes und endet auch mit dem gleichen Ereignis.

Bei jedem Einlesevorgang wird dem aktuellen Zählwert j_i der gleichzeitig mit der Beschleunigung gemessene Wert von dI_eff(t)/dt, also ein Wert, der eine Aussage über das Lastverhalten des Antriebs gibt, zugeordnet.

Das entstehende Wertepaar Z_i/d_eff(t)/dt wird fortlau­ fend in der Form gespeichert, wie dies der Aufnahme in einem Diagramm entspricht, wobei die Anzahl Z auf der Ordinate und das Lastverhalten dI_eff(t)/dt mit der Einheit A/s auf der Abszisse aufgetragen wird. Bei fortlaufender Speicherung (Eintrag im Diagramm) ent­ steht eine elementare Kurve, für die die Bedingung

sign (a(t)) = const.

erfüllt ist.

Als zweite Bedingung für Beginn und Beendigung eines Zählvorganges kann alternativ oder kummulativ die Bedingung dI_eff(t)/dt<0, die mit einem weiteren Ver­ gleicher überprüft wird herangezogen werden. Hierbei ist zu beachten, daß der Zählvorgang beendet oder gestartet wird, wenn die gemessene Beschleunigung in nur einer der beiden überwachten Ebenen einen Null­ durchgang aufweist.

Die Wissensbasis kann auch in geeigneter Form, das der Fig. 8 zu entnehmende Diagramm enthalten. In diesem ist eine empirisch gewonnene Grenzlinie A ein­ gezeichnet, die den praxisüblichen Bereich, wie er unter Bedingungen auftritt, in denen eine Abschaltung unerwünscht ist, vom Bereich in dem Abschaltung er­ forderlich ist trennt. Erreicht also der Zählwert Z_i einen Wert der jenseits der Grenzlinie A im Abschalt­ bereich liegt, wird unverzüglich das Auslösesignal für die Notabschaltung generiert.

Die Grenzlinie A mit ihrer Neigung spiegelt wieder, daß eine Abschaltung der Energiezufuhr bei starkem Lastanstieg bereits nach kürzerer Zeit, also bei kleineren Zählwerten Z, erfolgt.

Bei der gewählten Meßfrequenz, die ggf. auch noch erhöht werden kann, ist gesichert, daß der Zeitverzug zwischen Erkennen und tatsächlichem Abschalten aus­ reichend klein und die Gefährdung gegenüber herkömm­ lichen Sicherungseinrichtungen wesentlich verringert ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum zwangsweisen Abschalten von handgeführten Arbeitsmitteln infolge von Verkan­ ten, Blockierung oder Zerstörung eines rotieren­ den Werkzeuges, das Material abrasiv vom Werk­ stück abträgt und im Werkstück in form- oder reibschlüssigem Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsbeschleunigung des Arbeits­ mittels gemessen und aus den gemessenen Einzel­ werten die Funktion a(t) in einem vorgegebenen Zeitintervall (T) konstanter Größe bestimmt und anschließend verglichen wird, ob innerhalb die­ ses Zeitintervalls (T) kein Nulldurchgang dieser Funktion a(t) auftritt, befinden sich sämtliche Funktionswerte innerhalb des Zeitintervalls (T) außerhalb des Nulldurchgangs, wird ein Ab­ schaltsignal generiert und das Arbeitsmittel abgeschaltet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Abschaltsignal eine Werkzeugbrems­ einrichtung aktiviert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Abschaltsignal eine zwischen Werk­ zeug und Antrieb angeordnete Kupplung trennt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in einer Wissensbasis Funktionswertkur­ venverläufe a(t), die normale praxisrelevante Betriebszustände repräsentieren, bei denen eine Signalbereitstellung nicht erfolgen soll, abge­ legt sind, die mit dem im Zeitintervall (T) be­ stimmten Funktionswertverlauf zusätzlich vergli­ chen werden und nur bei Nichtübereinstimmung mit einem in der Wissensbasis gespeicherten Verlauf das Abschaltsignal generiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich der gemessene Strom­ stärkenverlauf im Zeitintervall (T) verglichen wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ar­ beitsmittel ein Schwingungssensor befestigt ist, dessen gemessene Signale in einem Summations­ glied für ein vorgegebenes Zeitintervall (T) verarbeitbar sind und Wertepaare a(t) einem nachgeschalteten Vergleicher zuführbar sind, der in Verbindung mit einem Zähler bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgen­ den Nichtübereinstimmungen ein Abschaltsignal generiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingungssensor für die Mes­ sung in mindestens zwei Ebenen ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ermittelten Summationswerte mindestens einem zweiten Vergleicher zuführbar sind, in dem ein Vergleich mit in einer Wissens­ basis abgelegten Funktionswertverläufen erfolgt und das Abschaltsignal nur generierbar ist, wenn keine Übereinstimmung aller Funktionswerte be­ steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß parallel zum Schwingungssensor ein Stromstärkesensor vorhanden ist, dessen Meßwerte mindestens einem zweiten Vergleicher zuführbar sind, in dem ein Vergleich mit in einer Wissens­ basis abgelegten Funktionswertverläufen 1(t) erfolgt und das Abschaltsignal nur generierbar ist, wenn keine Übereinstimmung aller Funktions­ werte besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gemessenen Stromstärkemeßwerte vor dem Vergleich zur Bestimmung des Anstiegs der Funktionswerte einem Differenzierglied zu­ führbar sind und der Vergleich mit den differen­ zierten Meßwerten und den entsprechend in der Wissensbasis abgelegten Vergleichswerten er­ folgt.