EP1186383B1 - Elektrohandwerkzeuggerät mit Sicherheitskupplung - Google Patents

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EP1186383B1
EP1186383B1 EP01810778A EP01810778A EP1186383B1 EP 1186383 B1 EP1186383 B1 EP 1186383B1 EP 01810778 A EP01810778 A EP 01810778A EP 01810778 A EP01810778 A EP 01810778A EP 1186383 B1 EP1186383 B1 EP 1186383B1
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EP
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microcontroller
torque
measured
hand tool
power transmission
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EP1186383A3 (de
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Roland Schaer
Hans Böni
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Hilti AG
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Hilti AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25F—COMBINATION OR MULTI-PURPOSE TOOLS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DETAILS OR COMPONENTS OF PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS NOT PARTICULARLY RELATED TO THE OPERATIONS PERFORMED AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S388/00—Electricity: motor control systems
    • Y10S388/935—Specific application:
    • Y10S388/937—Hand tool

Definitions

  • the invention refers to an at least partially rotating electric hand tool device such as a drill or a drill bit with a safety clutch for interrupting the power transmission from the electric drive to the tool spindle in dangerous operating conditions, such as tool blocks, according to the preamble of claim 1, such an electric hand tool is off US4249117 known.
  • the tool blockages occurring in rotating electric hand tool devices for example by Armingseisentreffer when drilling in concrete, generate by the associated sudden high torque rotation of the housing of the electric hand tool along the tool axis, which can lead to injury to the user.
  • Such high torques are usually limited by a slip clutch within the power transmission chain.
  • the rotational movement of the housing is detected by means of acceleration sensors via a microcontroller, and the force transmission chain is separated when a threshold value is exceeded via the safety coupling.
  • Prerequisite is a necessary freedom of movement of the housing. If, for example, drilled directly next to a wall, this is not possible, and the operator can pinch the hand, which in addition a purely mechanical friction clutch is necessary. In addition, this method requires a relatively high computing power and thus expensive microcontroller.
  • An electric hand tool device includes a microcontroller which measures the engine speed in real time via speed sensors and the input current via other sensors.
  • the microcontroller using hardware and software control over the input current, controls the motor torque and monitors it. An interruption of the input current at impermissibly high torques still leads to an inadmissibly high rotation of the housing due to the inertia of the rotor.
  • the rotational vibration of the housing is detected via acceleration sensors and in the absence of zero crossing separated within a time window on the safety clutch power transmission chain. At low vibrations even relatively small increases in torque can lead to an unnecessary separation of the power transmission chain.
  • an electric hand tool device has an electrically controllable by a microcontroller safety clutch within a power transmission chain with an electric motor, wherein the microcontroller of the measured input current of the electric motor is assigned as an input, mapped in a first computing element of the microcontroller, the input current of the electric motor via a motor characteristic stationary in a calculated torque is, which is applied to a control member of the microcontroller as an input variable and generates a control signal for the safety clutch for separation of the power transmission chain when exceeding a threshold value, wherein the second input to the control member of the microcontroller, the measured torque is applied, which is compared with the calculated torque and at Exceeding the threshold value by the difference between the two input variables of the control element at the output of the control signal is generated.
  • the object of the invention is the realization of an electric hand tool device with a safety clutch, which separates the power transmission chain only at high torque increases.
  • the torque and the input current of the electric motor is measured in an electric hand tool with electrically controllable by a microcontroller safety clutch, wherein in a first embodiment in a first computing element of the microcontroller, the input current of the electric motor via a motor characteristic is shown stationary in a calculated torque, which in a control member of the microcontroller is compared with the measured torque and separated when exceeding a threshold value for the difference over the safety clutch, the power transmission chain.
  • the rotational speed of the electric motor is measured and mapped to a second computing element of the microcontroller via a friction characteristic in a calculated friction torque, which is added to the stationary calculated torque in a summation point, whereby its accuracy is improved.
  • the measured torque is directly and additionally provided via a filter member in the form of a low-pass filter, which, like the torque stationarily calculated via the input current, reacts with a time delay to a change of the torque, electronically filtered and made available to the microcontroller.
  • the measured torque is additionally compared with a fixed threshold and separated when exceeding a threshold value for the difference over the safety clutch, the power transmission chain.
  • control member of the microcontroller includes further delay and filter elements, whereby short torque peaks, which can not lead to dangerous for the user deflection of the housing, do not lead to the separation of the power transmission chain.
  • the microcontroller in addition to the separation of the power transmission chain via the safety clutch to a deceleration of the rotor of the electric motor via a controllable braking means, for example.
  • a controllable braking means for example.
  • Fig. 1 has an unillustrated electric hand tool, which does not include an electrically controllable safety clutch within a power transmission chain with an electric motor with a controllable braking means, a microcontroller 1, to which the measured torque M, the input current I and the rotational speed n of the electric motor is present as an input variable.
  • a first computing element 2 of the microcontroller 1 the input current I of the electric motor applied to the input is imaged by way of a motor characteristic 3 stationary into an electrical torque at the output, to which at a summation point 4 the calculated friction torque transmitted via a second computing element 5 of the microcontroller 1 at the input adjacent speed n, which is mapped via a friction characteristic 6 in a calculated friction torque at the output, is added and at the output of the summation point 4 as stationary calculated torque M 'is present.
  • a control member 7 of the microcontroller 1 with the output of the summation point 4 and the measured torque M as an input variable is generated by comparing the difference ⁇ both input variables with a threshold when exceeding the output signal as a control signal ⁇ for the safety clutch and a braking means, which with the microcontroller 1 are controllably connected.
  • FIG. 2 has an unillustrated electric hand tool device, which is not shown an electrically controllable safety clutch within a power transmission chain includes an electric motor with a controllable braking means, a microcontroller 1, on which the measured torque M is present.
  • the torque M present at the input is delayed as a calculated torque M 'provided to a control member 7 of the microcontroller 1 as a first input variable, which with the measured torque M as the second input variable by comparing the difference ⁇ both input variables with a Threshold when exceeding the generated as an output signal, a control signal ⁇ for the safety clutch and for a braking means, which are controllably connected to the microcontroller 1.

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Description

  • Die Erfindung bezeichnet ein zumindest teilweise drehendes Elektrohandwerkzeuggerät wie eine Bohrmaschine oder einen Bohrmeissel mit einer Sicherheitskupplung zur Unterbrechung der Kraftübertragung vom Elektroantrieb zur Werkzeugspindel bei gefährlichen Betriebszuständen, wie Werkzeugblockaden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine solche Elektrohandwerkzeuggerät ist aus US4249117 bekannt.
  • Die bei drehenden Elektrohandwerkzeuggeräten auftretenden Werkzeugblockaden, bspw. durch Armierungseisentreffer bei Bohren in Beton, erzeugen durch das damit verbundene plötzliche hohe Drehmoment eine Drehung des Gehäuses des Elektrohandwerkzeuggerätes längs der Werkzeugachse, die zu einer Verletzung des Nutzers führen kann. Derartige hohe Drehmomente werden üblicherweise durch eine Rutschkupplung innerhalb der Kraftübertragungskette begrenzt.
  • Nach der DE3707052 wird bei einem Elektrohandwerkzeuggerät über einen Mikrocontroller die Drehbewegung des Gehäuses über Beschleunigungssensoren erfasst und bei Überschreiten eines Schwellwertes über die Sicherheitskupplung die Kraftübertragungskette aufgetrennt. Vorraussetzung ist ein notwendiger Bewegungsfreiraum des Gehäuses. Wird bspw. direkt neben einer Wand gebohrt ist dies nicht möglich, und der Bediener kann die Hand einklemmen, wodurch zusätzlich eine rein mechanische Rutschkupplung notwendig ist. Darüber hinaus benötigt dieses Verfahren eine relativ hohe Rechenleistung und somit teure Mikrocontroller.
  • Nach der US5563482 beinhaltet ein Elektrohandwerkzeuggerät einen Mikrocontroller, welcher in Echtzeit über Drehzahlsensoren die Motordrehzahl sowie über weitere Sensoren den Eingangsstrom misst. Der Mikrocontroller regelt hard- und softwaregesteuert unter Verwendung der gemessenen Motordrehzahl über den Eingangsstrom das Motordrehmoment und überwacht es. Eine Unterbrechung des Eingangsstroms bei unzulässig hohen Drehmomenten führt durch die Masseträgheit des Rotors dennoch zu einer unzulässig hohen Verdrehung des Gehäuses.
  • Nach der DE4334933 wird bei einem Elektrohandwerkzeuggerät die Drehvibration des Gehäuses über Beschleunigungssensoren erfasst und bei fehlendem Nulldurchgang innerhalb eines Zeitfensters über die Sicherheitskupplung die Kraftübertragungskette aufgetrennt. Bei geringen Vibrationen können auch relativ geringe Drehmomentanstiege zu einer unnötigen Auftrennung der Kraftübertragungskette führen.
  • Nach der US4249117 weist ein Elektrohandwerkzeuggerät eine elektrisch durch einen Mikrocontroller steuerbaren Sicherheitskupplung innerhalb einer Kraftübertragungskette mit einem Elektromotor auf, wobei dem Mikrocontroller der gemessene Eingangsstrom des Elektromotors als Eingangsgrösse zugeordnet ist, in einem ersten Rechenglied des Mikrocontrollers der Eingangsstrom des Elektromotors über eine Motorkennlinie stationär in ein berechnetes Drehmoment abgebildet wird, welches einem Steuerglied des Mikrocontrollers als Eingangsgrösse anliegt und bei Überschreitung eines Schwellwertes am Ausgang ein Steuersignal für die Sicherheitskupplung zur Auftrennung der Kraftübertragungskette erzeugt, wobei als zweite Eingangsgrösse am Steuerglied des Mikrocontrollers das gemessene Drehmoment anliegt, welches mit dem berechneten Drehmoment verglichen wird und bei Überschreitung des Schwellwertes durch die Differenz beider Eingangsgrössen des Steuergliedes am Ausgang das Steuersignal erzeugt wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung eines Elektrohandwerkzeuggerätes mit einer Sicherheitskupplung, welche nur bei hohen Drehmomentanstiegen die Kraftübertragungskette auftrennt.
  • Die Aufgabe wird im wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Im wesentlichen wird bei einem Elektrohandwerkzeuggerät mit elektrisch durch einen Mikrocontroller steuerbarer Sicherheitskupplung das Drehmoment und der Eingangsstrom des Elektromotors gemessen, wobei in einer ersten Ausführungsvariante in einem ersten Rechenglied des Mikrocontrollers der Eingangsstrom des Elektromotors über eine Motorkennlinie stationär in ein berechnetes Drehmoment abgebildet wird, welches in einem Steuerglied des Mikrocontrollers mit dem gemessenen Drehmoment verglichen wird und bei Überschreitung eines Schwellwertes für die Differenz über die Sicherheitskupplung die Kraftübertragungskette aufgetrennt. Zusätzlich wird die Drehzahl des Elektromotors gemessen und einem zweiten Rechenglied des Mikrocontrollers über eine Reibkennlinie in ein berechnetes Reibmoment abgebildet, welches dem stationär berechneten Drehmoment in einem Summationspunkt hinzuaddiert wird, wodurch dessen Genauigkeit verbessert wird.
  • Da auf Grund der Dynamik der Kraftübertragungskette wie bspw. der Masseträgheit des Rotors und des Torsionswiderstandes der Kraftübertragungskette der Motorstrom entsprechend eines Filters erster oder höherer Ordnung zeitlich verzögert auf eine Änderung des Drehmoments reagiert, diese Dynamik jedoch nicht in das stationär berechnete Drehmoment eingeht, ist die Differenz zwischen dem gemessenen und dem berechneten Drehmoment ein Mass für den Drehmomentanstieg.
  • In einer zweiten Ausführungsvariante wird das gemessene Drehmoment direkt und zusätzlich über ein Filterglied in Form eines Tiefpasses, welcher wie das über den Eingangsstrom stationär berechnete Drehmoment zeitlich verzögert auf eine Änderung des Drehmoments reagiert, elektronisch gefiltert dem Mikrocontroller zur Verfügung gestellt.
  • Vorteilhaft wird im Steuerglied des Mikrocontrollers das gemessene Drehmoment zusätzlich mit einem festen Schwellwert verglichen und bei Überschreitung eines Schwellwertes für die Differenz über die Sicherheitskupplung die Kraftübertragungskette aufgetrennt.
  • Weiter vorteilhaft beinhaltet das Steuerglied des Mikrocontrollers weitere Verzögerungs- und Filterglieder, wodurch kurze Drehmomentspitzen, welche nicht zu einer für den Nutzer gefährlichen Auslenkung des Gehäuses führen können, nicht zum Auftrennen der Kraftübertragungskette führen.
  • Vorteilhaft steuert der Mikrocontroller zusätzlich zur Auftrennung der Kraftübertragungskette über die Sicherheitskupplung eine Abbremsung des Rotors des Elektromotors über ein steuerbares Bremsmittel an, bspw. durch Einspeisung der Remanenzspannung der Rotorwicklung in die umgepolte Hauptwicklung unter Hinzuschalten einer Wendepolwicklung.
  • Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:
    • Fig. 1 als erste Ausführungsvariante des Mikrocontrollers
    • Fig. 2 als zweite Ausführungsvariante des Mikrocontrollers
  • Nach Fig. 1 weist ein nicht dargestelltes Elektrohandwerkzeuggerät, welches nicht dargestellt eine elektrisch steuerbaren Sicherheitskupplung innerhalb einer Kraftübertragungskette mit einem Elektromotor mit einem steuerbaren Bremsmittel beinhaltet, einen Mikrocontroller 1 auf, an welchem das gemessene Drehmoment M, der Eingangsstrom I und die Drehzahl n des Elektromotors als Eingangsgrösse anliegt. In einem ersten Rechenglied 2 des Mikrocontrollers 1 wird der am Eingang anliegende Eingangsstrom I des Elektromotors über eine Motorkennlinie 3 stationär in ein elektrisches Drehmoment am Ausgang abgebildet, zu welchem an einem Summationspunkt 4 das berechnete Reibmoment, welches über ein zweites Rechenglied 5 des Mikrocontrollers 1 mit am Eingang anliegender Drehzahl n, welche über eine Reibkennlinie 6 in ein berechnetes Reibmoment am Ausgang abgebildet wird, hinzuaddiert wird und am Ausgang des Summationspunktes 4 als stationär berechnetes Drehmoment M' vorliegt. In einem Steuerglied 7 des Mikrocontrollers 1 mit dem Ausgang des Summationspunktes 4 und dem gemessenen Drehmoment M als Eingangsgrösse wird durch Vergleich der Differenz Δ beider Eingangsgrössen mit einem Schwellwert bei Überschreitung dessen als Ausgangssignal ein Steuersignal θ für die Sicherheitskupplung und für ein Bremsmittel erzeugt, welche mit dem Mikrocontroller 1 steuerbar verbunden sind.
  • Nach Fig. 2 weist ein nicht dargestelltes Elektrohandwerkzeuggerät, welches nicht dargestellt eine elektrisch steuerbaren Sicherheitskupplung innerhalb einer Kraftübertragungskette mit einem Elektromotor mit einem steuerbaren Bremsmittel beinhaltet, einen Mikrocontroller 1 auf, an welchem das gemessene Drehmoment M anliegt. Über ein elektronisches Filterglied 8 wird das am Eingang anliegende Drehmoment M zeitlich verzögert als berechnetes Drehmoment M' einem Steuerglied 7 des Mikrocontrollers 1 als erste Eingangsgrösse zur Verfügung gestellt, welches mit dem gemessenen Drehmoment M als zweite Eingangsgrösse durch Vergleich der Differenz Δ beider Eingangsgrössen mit einem Schwellwert bei Überschreitung dessen als Ausgangssignal ein Steuersignal θ für die Sicherheitskupplung und für ein Bremsmittel erzeugt, welche mit dem Mikrocontroller 1 steuerbar verbunden sind.

Claims (7)

  1. Elektrohandwerkzeuggerät mit einer elektrisch durch einen Mikrocontroller (1) steuerbaren Sicherheitskupplung innerhalb einer Kraftübertragungskette mit einem Elektromotor, wobei dem Mikrocontroller (1) der gemessene Eingangsstrom (I) des Elektromotors als Eingangsgrösse zugeordnet ist, in einem ersten Rechenglied (2) des Mikrocontrollers (1) der Eingangsstrom (I) des Elektromotors über eine Motorkennlinie (3) stationär in ein berechnetes Drehmoment (M') abgebildet wird, welches einem Steuerglied (7) des Mikrocontrollers (1) als Eingangsgrösse anliegt und bei Überschreitung eines Schwellwertes am Ausgang ein Steuersignal (θ) für die Sicherheitskupplung zur Auftrennung der Kraftübertragungskette erzeugt, wobei als zweite Eingangsgrösse am Steuerglied (7) des Mikrocontrollers (1) das gemessene Drehmoment (M) anliegt, welches mit dem berechneten Drehmoment (M') verglichen wird und bei Überschreitung des Schwellwertes durch die Differenz (Δ) beider Eingangsgrössen des Steuergliedes (7) am Ausgang das Steuersignal (θ) erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Eingangsgrösse des Mikrocontrollers (1) die gemessene Drehzahl (n) des Elektromotors an einem zweiten Rechenglied (5) des Mikrocontrollers (1) anliegt, welche über eine Reibkennlinie (6) in ein berechnetes Reibmoment am Ausgang des zweiten Rechengliedes (5) abgebildet wird.
  2. Elektrohandwerkzeuggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des zweiten Rechengliedes (5) und der Ausgang des ersten Rechengliedes (2) die Eingänge eines Summationspunktes (4) ausbilden, welcher am Ausgang ein berechnetes Drehmoment (M') ausgibt.
  3. Elektrohandwerkzeuggerät mit einer elektrisch durch einen Mikrocontroller (1) steuerbaren Sicherheitskupplung innerhalb einer Kraftübertragungskette mit einem Elektromotor, wobei in einem Steuerglied (7) des Mikrocontrollers (1) bei Überschreitung eines Schwellwertes am Ausgang ein Steuersignal (θ) für die Sicherheitskupplung zur Auftrennung der Kraftübertragungskette erzeug bar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Eingangsgrösse am Steuerglied (7) des Mikrocontrollers (1) ein über ein Filterglied (8) elektronisch gefiltertes gemessenes Drehmoment (M) als berechnetes Drehmoment (M') anliegt und dass als zweite Eingangsgrösse am Steuerglied (7) des Mikrocontrollers (1) das gemessene Drehmoment (M) direkt anliegt, welches mit dem berechneten Drehmoment (M') verglichen wird und bei Überschreitung des Schwellwertes durch die Differenz (Δ) beider Eingangsgrössen des Steuergliedes (7) am Ausgang das Steuersignal (θ) erzeugt wird.
  4. Elektrohandwerkzeuggerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerglied (7) des Mikrocontrollers (1) Verzögerungs- und/oder Filterglieder beinhaltet.
  5. Verfahren zur Steuerung eines Elektrohandwerkzeuggerätes mit einer steuerbaren Sicherheitskupplung innerhalb einer Kraftübertragungskette mit einem Elektromotor durch einen Mikrocontroller (1), wobei in einem ersten Schritt der Eingangsstrom (I) des Elektromotors gemessen und über eine Motorkennlinie (3) stationär in ein berechnetes Drehmoment (M') abgebildet wird, wobei als 24 zusätzliche Eingansgröße des Mikrocontrollers (l) die gemessene Drehzahl (n) des Elektromotors an einem zweiten Rechenglied (5) des Mikrocontrollers (l) anliegt, welche über eine Reibkennlinie (6) in ein berechnetes Reibmoment am Ausgang des zweiten Rechengliedes (5) abgebildet wird, oder das elektrisch gefilterte gemessene Drehmoment (M) als stationär berechnetes Drehmoment (M') verwendet wird, und in einem letzten Schritt durch einen Vergleich mit einem Schwellwert am Ausgang ein Steuersignal (6) für die Sicherheitskupplung zur Auftrennung der Kraftübertragungskette erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt das Drehmoment (M) gemessen und die zu dem stationär berechneten Drehmoment (M') gebildete Differenz (Δ) für den Vergleich mit dem Schwellwert verwendet wird.
  6. Elektrohandwerkzeuggerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im letzten Verfahrensschritt zusätzlich das gemessene Drehmoment (M) mit einem festen Schwellwert verglichen wird.
  7. Elektrohandwerkzeuggerät nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im letzten Verfahrensschritt der Mikrocontroller (1) zusätzlich eine Abbremsung des Rotors des Elektromotors steuert.
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