EP1008422B1

EP1008422B1 - Verfahren und Einrichtung zur Vermeidung von Unfällen bei handgeführten Werkzeugmaschinen durch Werkzeugblockieren

Info

Publication number: EP1008422B1
Application number: EP99811119A
Authority: EP
Inventors: Roland Schaer; Martin Mayr; Peter Hellmann
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2019-12-06
Also published as: JP4486728B2; DE19857061C2; EP1008422A3; EP1008422A2; JP2000263304A; DE59914191D1; US6111515A; CN1160526C; DE19857061A1; CN1256383A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine auf der Anwendung des Verfahrens beruhende Einrichtung zur Vermeidung von Unfällen durch Werkzeugblockieren beim Arbeiten mit handgeführten Werkzeugmaschinen mit rotierendem Werkzeug, insbesondere bei Bohrhämmern, die mit einer Unterbrechereinrichtung zum Unterbrechen der Wirkung des Antriebsmotors auf das Werkzeug in Abhängigkeit von dem durch eine Bewegungsmeßeinrichtung gelieferten Drehbewegungsgröße erfaßten Betriebszustand ausgerüstet ist.
Rotationsunfälle, also insbesondere Verletzungen im Bereich des Handgelenks oder Arms oder der Sturz von Leitern, Gerüsten usw., bedingt durch das plötzliche Blockieren des Werkzeugs und das damit verbundene schnelle Ansteigen des Reaktionsmoments bei handgeführten Werkzeugmaschinen, insbesondere solchen größerer Leistung, wie Bohrhämmern, sind ein lange erkanntes und viel diskutiertes Problem. Aus der Vielzahl der bekannten Lösungsansätze für dieses Problem sei nur beispielhaft auf die Druckschriften EP 150 669 A2 sowie auf WO 88/06508 A3 hingewiesen. Durch die Verwendung eines innerhalb des oder am Gehäuse der Werkzeugmaschine angeordneten Verdrehsensors, insbesondere eines Beschleunigungssensors, der die Beschleunigung einer äußeren Schwenkbewegung der handgeführten Werkzeugmaschine erfaßt, wird - gegebenenfalls in Abhängigkeit von verschiedenen Vorgabe-Kriterien, z.B. eines Beschleunigungs-Schwellenwerts - eine Schaltkupplung auslöst, die den Antriebsstrang zwischen dem Antriebsmotor und dem eigentlichen Werkzeugaggregat, insbesondere der Bohrspindel, unterbricht. Schwierigkeiten bei den beiden bekannten, im Ansatz ähnlichen Lösungen, ergeben sich daraus, daß es auch bei einer gewünschten Betriebsnutzung der Maschine, etwa beim Arbeiten mit einem Bohrhammer in einer Betonmasse inhomogener Zusammensetzung zu Fehlauslösungen der Sicherheitskupplung kommt. Dies hängt mit dem grundsätzlichen Lösungsansatz einer unmittelbaren Signalauswertung ohne Folgeabschätzung zusammen, d.h., einer Signalauswertung mit notwendigerweise vergleichsweise niedriger Sicherheitsschwelle ohne individuelle Bewertung des jeweiligen Störfalls.
Eine wesentliche Verbesserung wurde mit einem vorausschauenden Bewertungsverfahren für die von einem Beschleunigungssensor gelieferten Signale erreicht, wie es in der Patentschrift DE 43 44 817 C2 beschrieben ist. Diesem verbesserten Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, unter Vorgabe einer Zeitkonstante aus der vom Beschleunigungssensor gelieferten Drehbewegungsgröße einen aufgrund des Reaktionsmoments beim Blockieren oder teilweisem Blockieren des Werkzeugs zu erwartenden Verdrehwinkel der Werkzeugmaschine vorausschauend zu berechnen und die Sicherheitskupplung dann zu aktivieren, wenn der berechnete zu erwartende Verdrehwinkel einen vorgebbaren maximal zulässigen Verdrehwinkel überschreiten würde. Dabei wird das zukünftige Verhalten der Maschine unmittelbar nach Auftreten eines Störfalls bewertet und eine Gegenmaßnahme ausgelöst, wenn die Werkzeugmaschine mit einem Drehimpuls beaufschlagt worden ist, durch den sich ein Unfall nicht mehr vermeiden läßt.
Ein gattungsgemäße Vorrichtung ist aus US 5 401 124 A bekannt.
Dem für die Praxis solcher handgeführter Werkzeugmaschinen vielversprechenden Lösungsansatz gemäß der genannten DE-Druckschrift haften jedoch noch zwei wesentliche, bei Versuchsreihen festgestellte, Probleme an:

(1) die Rotationsachse des Werkzeugs liegt häufig im entscheidenden Augenblick des Blockierens nicht zwangsläufig in der Werkzeugachse; und
(2) die Erdbeschleunigung beeinflußt das Meßsignal des Beschleunigungsmessers, und zwar abhängig von der momentanen Lage des Werkzeugs.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, handgeführte Werkzeugmaschinen der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein beim Blockieren des Werkzeugs durch den Reaktionsimpuls oder das Reaktionsmoment über den Bewegungssensor ausgelöstes Meßsignal auch dann eine eindeutige Aussage über einen gefährlichen Blockierfall liefert, wenn die Rotationsachse des Werkzeugs im Störfall verzogen ist, wobei gleichzeitig die Einflußgröße Erdbeschleunigung auf das Meßsignal ausgeschaltet werden soll.
Die Erfindung ist bei einem Verfahren zur Vermeidung von Unfällen durch Werkzeugblockieren beim Arbeiten mit handgeführten Werkzeugmaschinen mit rotierendem Werkzeug, insbesondere bei Bohrhämmern, die mit einer Unterbrechereinrichtung zum Unterbrechen der Wirkung des Antriebsmotors auf das Werkzeug in Abhängigkeit von dem durch eine Bewegungsmeßeinrichtung gelieferten Drehbewegungsgröße erfaßten Betriebsbestand ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Werkzeugmaschine an mindestens zwei räumlich voneinander und gegen die Drehachse im Normalbetrieb des Werkzeugs beabstandeten Stellen der Werkzeugmaschine gemessen wird, und daß die erhaltenen Meßwerte vor einer weiteren Verarbeitung und Bewertung voneinander subtrahiert werden.
Eine Einrichtung zur Vermeidung von Rotationsunfällen aufgrund von Werkzeugblockieren bei einer handgeführten Werkzeugmaschine mit rotierendem Werkzeug gemäß der oben erläuterten Gattung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Beschleunigungssensoren, vorzugsweise - insbesondere aus Kostengründen - Linear-Beschleunigungssensoren als Verdrehsensoren innerhalb des Gehäuses der Werkzeugmaschine an räumlich voneinander und gegenüber der Werkzeugachse vorzugsweise unterschiedlich beabstandeten Stellen montiert sind und daß die elektronische Auswerteeinheit eine Subtraktionsstufe enthält, in der die von den Beschleunigungssensoren jeweils gelieferten Signale vor der Errechnung eines zur Auslösung der Unterbrechereinrichtung bestimmten Signals voneinander subtrahiert werden.
Vorteilhafte Ergänzungen und Ausführungsarten für das erfindungsgemäße Verfahren und die darauf basierende Einrichtung sind Inhalt von jeweils abhängigen Patentansprüchen.
Vorzugsweise und insbesondere stellt das erfindungsgemäße Verfahren und die darauf beruhende Sicherheitseinrichtung eine Verbesserung der in der genannten DE-Druckschrift beschriebenen Lösung dar, wobei die von den mehreren Beschleunigungssensoren jeweils gelieferten Signale vor der Errechnung des zu erwartenden und vorgebbaren Verdrehwinkels der Werkzeugmaschine voneinander subtrahiert werden.
Hinsichtlich der Berechnung des zu erwartenden Verdrehwinkels, der Reduzierung oder Beseitigung nieder- bzw. hochfrequenter Störungen sowie der geeigneten mathematischen Prinzipien und Algorithmen für die zuverlässige vorausschauende Berechnung des zu erwartenden kritischen Verdrehwinkels wird wiederum auf DE 43 44 817 C2 verwiesen werden.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bzw. 1B: die schematische Darstellung eines Bohrhammers in Seiten- bzw. Rückansicht als Beispiel für eine handgeführte Werkzeugmaschine, die mit zwei Beschleunigungssensoren ausgerüstet ist;
Fig. 2: die schematische Teilschnittdarstellung des Bohrhammers nach Fig. 1; und
Fig. 3: die Prinzipdarstellung eines Drehbewegungsmodells für eine Handwerkzeugmaschine gemäß Fig. 1, die im dargestellten Beispiel mit zwei Linear-Beschleunigungssensoren ausgerüstet ist.

Die Fig. 1A/B und die Fig. 2 zeigen in einer Prinzipdarstellung die wesentlichen im Zusammenhang mit der Erfindung interessierenden Bauteile einer handgeführten Werkzeugmaschine M, deren Betriebszustand mittels zweier Beschleunigungssensoren 1a bzw. 1b überwacht wird. In Fig. 1B ist durch Hinweispfeile angedeutet, welche Beschleunigung 10 bzw. Auslenkkraft in welcher Auslenkrichtung 11 auf die Werkzeugmaschine im Falle des Blockierens des Werkzeugs 8 wirken. Über eine Eingangsschnittstelle 2 zur Signalformung, A/D-Wandlung, usw., gelangen die Signale der Beschleunigungssensoren 1a, 1b zu einer elektronischen Auswerteeinheit 3, die ein Mikroprozessor, ein in diskreter Schaltkreistechnik ausgeführter Mikrorechner, ein Signalprozessor oder ähnliches sein kann. In dieser Auswerteeinheit 3 werden die digitalisierten Signale der Beschleunigungssensoren 1a, 1b zunächst voneinander subtrahiert, wie weiter unten näher erläutert und begründet. Anschließend wird das so erhaltene Ergebnis über einen modell- oder regelbasierten Algorithmus ausgewertet, welcher den Betriebszustand der Handwerkzeugmaschine M bei Ansprechen der Beschleunigungssensoren 1a, 1b voraussagt. Die Erfindung läßt sich jedoch auch für solche Anwendungsfälle vorteilhaft einsetzen, bei denen keine vorausschauende Berechnung des zu erwartenden Verdrehwinkels der Handwerkzeugmaschine M erfolgt, also bei solchen Sicherheitseinrichtungen, die das aufgrund von Werkzeugblockieren erzeugte Beschleunigungssignal unmittelbar bewerten und bei Überschreiten eines bestimmten Pegels, gegebenenfalls nach Störsignalfilterung, sowie ein- und/oder zweimaliger Integration, direkt zur Auslösung der Antriebs-Unterbrechereinrichtung nutzen.
Wird eine Beschleunigung durch Werkzeugblockieren detektiert, die von der Auswerteeinheit 3 als "gefährlich" eingestuft wird, so wird über eine Ausgabeschnittstelle 4 die Betriebsunterbrechungseinrichtung, also insbesondere eine Kupplung 5 betätigt, die den Antriebsstrang zwischen einem Antriebsmotor 7 und dem Werkzeughalter bzw. Werkzeug 8 unterbricht und gegebenenfalls zusätzlich einen Stromunterbrecher 6 auslöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das darauf basierende Meßsystem wirkt zuverlässig für jede beliebige Rotationsachse des Gesamtsystems sowie bei gegebenenfalls gekippter oder verzogener Werkzeugachse, wie nachfolgend unter Bezug auf Fig. 3 erläutert wird.
Die Bewegungsmeßeinrichtung weist, wie bereits erwähnt, wenigstens zwei Beschleunigungssensoren 1a, 1b auf, deren Meßergebnisse erfindungsgemäß vor einer weiteren Verarbeitung subtrahiert werden. Wie sich aus der nachfolgenden Herleitung für zwei mögliche Anwendungsfälle ersehen läßt, wird die Störgröße Erdbeschleunigung für jede mögliche Anwendungsposition des Elektrowerkzeugs eliminiert.
Bei der Beschleunigungsmeßeinrichtung 1 gemäß Fig. 3 ist vorgesehen, daß der zweite Sensor 1b in einer die Drehachse 9 im Normalbetrieb einschließenden Ebene liegt. Die Drehachse kann jedoch bei einer angenommenen zweidimensionalen Sensorebene jede beliebige Position einnehmen und liefert immer ein fehlerbereinigtes Signal, wie sich aus der nachfolgenden mathematischen Herleitung erkennen läßt. Auch können prinzipiell mehr als zwei Sensoren vorgesehen werden, wobei dann durch Mittelwertbildung oder eine Plausibilitätsüberprüfung die Zuverlässigkeit des erhaltenen Signals gesteigert wird. Sofern zwei redundante Sensorpaare vorgesehen werden, können die Intervalle für eine Sicherheitsüberprüfung prinzipiell gestreckt werden.
Die in Fig. 3 angegebenen Größen bezeichnen folgendes:

a₁, a₂ =: Meßsignale des ersten Beschleunigungssensor 1a bzw. des zweiten Beschleunigungssensors 1b; insbesondere repräsentieren a₁ und a₂ lineare Tangentialbeschleunigungen um jeweilige Drehachsen, die nachfolgend als "Fall 1" bzw. als "Fall 2" einer näheren Betrachtung unterzogen werden.
d =: Abstand der Beschleunigungssensoren 1a, 1b;
r_1a1. r_1b1 =: Abstände der Beschleunigungssensoren 1a, 1b für den "Fall 1", bei dem die (gedachte) Drehachse des Werkzeugs, beispielsweise im Fall des Werkzeugblockierens gegenüber der Antriebsachse bzw. Drehachse im Normalbetrieb nach unten versetzt ist: und
r_1a2, r_1b2 =: Abstände der Beschleunigungssensoren 1a, 1b von einer (gedachten) Drehachse für den "Fall 2", d.h., wenn die Drehachse des Werkzeugs im Falle des Blockierens gegenüber der Antriebsachse bzw. Drehachse im Normalbetrieb nach oben versetzt ist;
ϕ =: zu erwartender Drehwinkel im Falle des Werkzeugblockierens.

Mathematische Herleitung zu "Fall 1": $Drehbeschleunigung : \ddot{ϕ} = \frac{a_{1}}{r_{1 a 1}} = - \frac{a_{2}}{r_{1 b 1}}$
$\begin{array}{l} d = r_{1 a 1} + r_{1 b 1} \\ a_{1} r_{1 b 1} = a_{2} r_{1 a 1} \\ a_{1} r_{1 b 1} + a_{1} r_{1 a 1} = - a_{2} r_{1 a 1} + a_{1} r_{1 a 1} \\ a_{1} (r_{1 a 1} + r_{1 b 1}) = r_{1 a 1} (a_{1} - a_{2}) \end{array}$
$\frac{a_{1}}{r_{1 a 1}} = \frac{a_{1} - a_{2}}{r_{1 a 1} + r_{1 b 1}}$
Gleichung (3) eingesetzt in Gleichung (1) in Verbindung mit Gleichung (2) ergibt: $Drehbeschleunigung : \ddot{φ} = \frac{a_{1} - a_{2}}{r_{1 a 1} + r_{1 b 1}} = \frac{a_{1} - a_{2}}{d}$
Ersichtlicherweise ist der Wert ϕ̈ nicht mehr abhängig von der Erdbeschleunigung, da der Anteil der Erdbeschleunigung in beiden Beschleunigungssensorsignalen a₁ bzw. a₂ in gleicher Größe vorhanden ist, wie sich aus Gleichung (4) ersehen läßt, also vollständig kompensiert wird.
Mathematische Herleitung für den "Fall 2": $\ddot{ϕ} = \frac{a_{1}}{r_{1 a 2}} = \frac{a_{2}}{r_{1 b 2}}$
$\begin{array}{l} d = r_{1 a 2} - r_{1 b 2} \\ - a_{1} r_{1} b 2 = - a_{2} r_{1 a 2} \\ - a_{1} r_{1} b 2 + a_{1} r_{1} a 2 = - a_{2} r_{1 a 2} + a_{1} r_{1 a 2} \\ a_{1} (r_{1 a 2} + r_{1 b 2}) = r_{1 a 2} (a_{1} - a_{2}) \end{array}$
$\frac{a_{1}}{r_{1 a 2}} = \frac{a_{1} - a_{2}}{r_{1 a 2} + r_{1 b 2}}$
Gleichung (3') eingesetzt in Gleichung (1') in Verbindung mit Gleichung (2') ergibt: $\ddot{φ} = \frac{a_{1} - a_{2}}{r_{1 a 2} - r_{1 b 2}} = \frac{a_{1} - a_{2}}{d}$
Auch für den "Fall 2" gilt also, daß der für die Signalauswertung zur Verfügung stehende Wert des Meßsignals, also die Drehbeschleunigung, nicht mehr abhängig ist von der für beide Beschleunigungssensoren gleichen Massenanziehung bzw. der Erdbeschleunigung.
Im Rahmen der Erfindung eignet sich prinzipiell jedes Meßsystem mit Beschleunigungssensoren oder Beschleunigungsaufnehmern, also solche, die piezoelektrisch, piezoresistiv oder inertial basiert sind und/oder integriert als Teil einer mikroelektronischen Schaltung realisiert sind. Die elektronische Auswerteeinheit kann entweder analog realisiert sein mit Hilfe von Operationsverstärkern und entsprechenden Filterschaltkreisen oder digital unter Verwendung eines Mikroprozessors mit zugeordneten Prozessorschnittstellen (vergleiche DE 43 44 817 C2). Ebenso möglich ist es, die Auswerteeinheit als Fuzzy-Logik zu realisieren, was in DE 196 41 618 A1 ausführlich beschrieben ist.
Zur Verwirklichung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips ist prinzipiell jedes bekannte Meßverfahren für Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit bzw.
Drehwinkel anwendbar. Im obigen Ausführungsbeispiel wird vor allem aus Kostengründen auf Linearbeschleunigungssensoren, beispielsweise basierend auf piezoelektrischen Meßverfahren Bezug genommen. Prinzipiell eignen sich jedoch auch Impulsrad- und magnetische Winkelschrittgeber, mikromechanische Beschleunigungssensoren, optische Meßverfahren, magnetohydrodynamische Meßverfahren, Drehbeschleunigungsmeßverfahren nach dem Ferraris-Prinzip, kapazitive Meßverfahren oder auch DMS-Beschleunigungsaufnehmer.

Claims

Verfahren zur Vermeidung von Unfällen durch Werkzeugblockieren beim Arbeiten mit einer handgeführten Werkzeugmaschine mit rotierendem Werkzeug (8), insbesondere für Bohrhämmer, die mit einer Unterbrechereinrichtung (5, 6) zum Unterbrechen der Wirkung des Antriebsmotors (7) auf das Werkzeug (8) in Abhängigkeit von dem durch eine Bewegungsmeßeinrichtung (1) erfaßten Betriebszustand ausgerüstet ist wobei die Bewegung der Werkzeugmaschine im Raum an mindestens zwei räumlich voneinander und gegen die Werkzeugachse beabstandeten Stellen der Werkzeugmaschine gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltenen Meßwerte (a₁, a₂) vor der Berechnung eines die Unterbrechereinrichtung (5, 6) auslösenden Signals voneinander subtrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Werkzeugmaschine im Raum an gegen die Werkzeugachse unterschiedlich beabstandeten Stellen gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bewegungsgröße die Beschleunigung der Werkzeugmaschine im Raum an mindestens zwei räumlich voneinander beabstandeten Stellen erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Subtraktion der von mindestens zwei Beschleunigungssensoren gelieferten Meßwerte unter Vorgabe einer Zeitkonstante aus der durch die Subtraktion erhaltenen Drehbeschleunigungsgröße ein zu erwartender Verdrehwinkel (ϕ) der Werkzeugmaschine (M) vorausschauend berechnet und die Unterbrechereinrichtung (5, 6) aktiviert wird, sobald der berechnete, zu erwartende Verdrehwinkel einen vogebbaren maximal zulässigen Verdrehwinkel überschreitet.
Einrichtung zur Vermeidung von Unfällen aufgrund von Werkzeugblockierens bei einer handgeführten Werkzeugmaschine mit rotierendem Werkzeug, insbesondere Bohrhämmern, die mit einer Unterbrechereinrichtung (5, 6) zum Unterbrechen der Wirkung des Antriebsmotors (7) auf das Werkzeug (8) in Abhängigkeit von dem durch eine Beschleunigungsmeßeinrichtung (1) erfaßten Betriebszustand ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmeßeinrichtung mindestens zwei innerhalb des Gehäuses der Werkzeugmaschine an räumlich voneinander und gegenüber der Werkzeugachse beabstandeten Stellen montierten Beschleunigungssensoren (1a, 1b) ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Beschleunigungssignale (a₁, a₂) der Beschleunigungssensoren verarbeitende elektronische Auswerteeinheit (3) eine Subtraktionsstufe enthält, in der die von den Beschleunigungssensoren jeweils gelieferten Signale vor der Errechnung eines Auslösesignals für die Unterbrechereinrichtung (5, 6) voneinander subtrahiert werden.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungssensoren (1a, 1b) Linear-Beschleunigungssensoren sind.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Beschleunigungssensoren (1a, 1b) so angeordnet ist, daß er in normaler Betriebsstellung der Werkzeugmaschine ein maximales Ausgangssignal liefert.