EP4101594A1 - Werkzeugmaschine und verfahren zum betrieb einer werkzeugmaschine - Google Patents

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Publication number
EP4101594A1
EP4101594A1 EP21178467.3A EP21178467A EP4101594A1 EP 4101594 A1 EP4101594 A1 EP 4101594A1 EP 21178467 A EP21178467 A EP 21178467A EP 4101594 A1 EP4101594 A1 EP 4101594A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine tool
motor
tool
range
speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21178467.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Wierer
Manuel Gut
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Priority to EP21178467.3A priority Critical patent/EP4101594A1/de
Priority to JP2023563836A priority patent/JP7811951B2/ja
Priority to PCT/EP2022/064018 priority patent/WO2022258362A1/de
Priority to CN202280028936.8A priority patent/CN117203023A/zh
Priority to EP22730249.4A priority patent/EP4351839B1/de
Priority to US18/560,789 priority patent/US12384010B2/en
Publication of EP4101594A1 publication Critical patent/EP4101594A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • B25F5/001—Gearings, speed selectors, clutches or the like specially adapted for rotary tools
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a machine tool with a tool and a motor, with the motor of the machine tool being operated in a speed range from 2,000 to 30,000 rpm and with an inertia of the motor in a range from 20 10 -6 to 750 10 -6 kg. m 2 lies.
  • the invention relates to a method for operating a machine tool that is operated in a speed range of 2,000 to 30,000 rpm, the inertia of the motor being in a range of 20 ⁇ 10 -6 to 750*10 -6 kg*m 2 .
  • the machine tool By selecting and specifying a set of parameters that describe characteristics of the machine tool's motor, the machine tool can be designed and operated in such a way that a mechanical slip clutch can be dispensed with.
  • the motor parameters "speed" and “inertia” are selected in particular in such a way that a maximum torque in a gear of the machine tool is always below a specified upper limit.
  • the invention enables particularly productive work with the machine tool, with tests having shown that the service intervals can advantageously be extended by omitting the mechanical slip clutch.
  • hammer drills chisels, cutters or angle grinders, screwing devices or core drilling devices are known, in each of which a tool is driven by a motor.
  • a power supply can be provided via a mains connection or with batteries or accumulators ("accumulators").
  • the object of the present invention is therefore to overcome the above-described deficiencies and disadvantages of the prior art and to provide an improved machine tool and a method for operating a machine tool in which the peak torque can be limited if the tool is blocked or jammed. It is a further concern of the invention that the machine tool should manage without a mechanical slipping clutch, with no compromises being made in terms of protecting the user of the machine tool. In addition, a compact and lightweight machine tool is to be made available, which enables convenient handling and is particularly low-maintenance.
  • the object is achieved in a first aspect by a machine tool with a tool and a motor, the motor in a speed range of 2,000 to 30,000 rpm is operable, wherein an inertia of the motor is in a range of 20 ⁇ 10 -6 to 750 ⁇ 10 -6 kg ⁇ m 2 .
  • the abbreviation rpm stands for the unit rounds per minutes, ie for the number of revolutions per minute.
  • the inventors have recognized that the magnitude of the torque peaks that occur when the tool of the machine tool jams or blocks depends on the inertia conditions within the machine tool.
  • the invention is based on the idea that the level of the maximum torque can be adjusted and limited by skillful selection of engine parameters such that the maximum torque does not exceed a predetermined upper limit value.
  • the upper limit represents a maximum value for the torque that can be achieved by the machine tool or its motor.
  • the maximum torque in the drive train of the machine tool is reached in particular when the tool of the machine tool is jammed or blocked.
  • the high torque values that then occur are preferably referred to as “torque peaks” within the meaning of the invention.
  • torque peaks within the meaning of the invention.
  • the inventors have recognized that the maximum torque depends on the inertia ratios between the machine tool and its motor, as well as on the stalling speed of the tool and on the rigidity in the drive train of the machine tool.
  • the maximum torque that occurs can be limited and kept below an upper limit value if the machine tool is operated in a motor speed range of 2,000 to 30,000 rpm and the inertia of the motor of the machine tool is in a range of 20 ⁇ 10 -6 to 750 ⁇ 10 -6 kg ⁇ m 2 .
  • the invention consists in particular in specifying the parameter ranges of motor speed and motor inertia mentioned, so that the maximum torque of the motor of the machine tool always remains below a specified upper limit. This makes it possible for the user of the machine tool to operate the machine tool in a particularly safe manner.
  • the time in which a jammed or blocked tool of a machine tool comes to a standstill is usually very short.
  • the corresponding period of time can be in the range of 5 milliseconds (ms), for example.
  • the machine tool preferably continues to rotate at a predetermined initial speed. This movement is perceived by the user of the machine tool as a deflection of the machine tool. Tests have shown that this deflection of the machine tool, which in the past has often led to injuries in the arm, shoulder and hand area of a user, can be significantly reduced with the invention.
  • the proposed machine tool can in particular be a core drilling device.
  • the tool of the machine tool is then preferably designed as a drill bit.
  • the core bit is used to cut out cylindrical cores from solid ground.
  • the proposed machine tool can also be, for example, a hammer drill or drill/screwdriver.
  • a range for the motor inertia is described in the context of the invention, which allows slip clutch-free operation of the machine tool in the speed range that is also specified.
  • the invention makes it possible to dispense with a mechanical slipping clutch, so that the machine tool can be manufactured more cost-effectively and made more compact. This advantageously leads to particularly convenient and simplified handling of the machine tool.
  • a productivity-enhanced and low-maintenance machine tool with longer service intervals can be provided.
  • motor inertia is understood as the mass moment of inertia of the motor, in particular as the mass moment of inertia of the rotating components of the motor about the axis of rotation of the motor shaft.
  • the rotating components of the motor which preferably rotate about the axis of rotation of the motor shaft, are preferably the rotor of the motor.
  • inertia of the machine tool is preferably understood as the mass moment of inertia of the machine tool, with the rotating components of the machine tool preferably rotating about the axis of rotation of the tool.
  • the upper limit for the torque is in a range from 500 to 1,500 Nm, preferably in a range from 700 to 1,200 Nm, particularly preferably in a range from 850 to 950 Nm and most preferably 900 Nm. It is preferred within the meaning of the invention that the level of the permitted maximum torque values is based on the robustness of the transmission of the machine tool. The inventors have recognized that the tangential component of the acceleration of the side handle of the machine tool also plays a role in the maximum torque. In the context of this invention, this tangential component of the acceleration is referred to as the so-called “level of pain” (LOP).
  • LOP level of pain
  • this acceleration component is used as a measure of the ease of use of the machine tool in the event of the tool of the machine tool becoming blocked.
  • the inventors have recognized that the pain measure with is related to the maximum torque or its torque peaks. This relationship results in particular from the inertia of the machine tool. There is therefore a connection between the maximum permissible speed and the torque peaks within the machine tool. Limiting the torque to values below an upper limit value therefore advantageously also limits the degree of pain and improves the ease of use of the machine tool compared to conventional machine tools, as are known from the prior art.
  • the machine tool has a gear with a transmission ratio.
  • the translation preferably results from the motor characteristic, ie the characteristic of the motor of the machine tool. It is preferred within the meaning of the invention that the motor characteristic describes the lowest speed value at which the motor of the machine tool can provide the required power.
  • the gear ratio is also reflected in particular in the time lag between the standstill of the tool and the standstill of the motor of the machine tool when the tool of the machine tool jams or blocks. For example, while the tool stall time is in the range of 5 ms, the machine tool motor stall time may be in the range of 50 ms.
  • the subject matter of the present invention is, in particular, the processes during the stated time periods after the tool of the machine tool has jammed. These periods of time will 1 referred to as the second and third periods.
  • the degree of pain, the ease of use and the maximum torque can depend on the engine parameters speed, rotor inertia and/or peak torque.
  • the inertia of the machine tool is in a range from 30,000*10 -6 to 70,000*10 -6 kg*m 2 , preferably in a range from 40,000*10 -6 to 60,000*10 -6 kg ⁇ m 2 , more preferably in a range from 45,000 ⁇ 10 -6 to 55,000 ⁇ 10 -6 kg ⁇ m 2 and most preferably at 50,000 ⁇ 10 -6 kg ⁇ m 2 .
  • the values mentioned for the inertia of the machine tool are preferably used as input variables for determining the motor parameters speed and motor inertia.
  • the machine tool can have a spindle, with which a rotation of the motor is transmitted to the tool of the machine tool.
  • the speed of the spindle can be in a range from 1000 to 1500 rpm, preferably 1250 to 1350 rpm and particularly preferably 1300 rpm.
  • the speed of the spindle corresponds to the speed of the tool of the proposed machine tool.
  • the tool of the machine tool preferably rotates at a speed in a range from 1,000 to 1,500 rpm, preferably in a range from 1,250 to 1,350 rpm and particularly preferably at a speed of approx. 1,300 rpm.
  • the speed of the spindle or the speed of the tool of the machine tool is coupled to the speed of the engine via the transmission ratio in the gearbox, with the transmission ratio playing an important role for the effective moment of inertia.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for operating a machine tool.
  • the machine tool has a tool and a motor, with the motor of the machine tool being operated in a speed range of 2,000 to 30,000 rpm and with an inertia of the motor in a range of 20 ⁇ 10 -6 to 750*10 -6 kg*m 2 .
  • the definitions, technical effects and advantages described for the proposed machine tool apply analogously to the proposed operating method.
  • the first period of time I. relates to the normal operation of the machine tool (10), during which work is carried out with the machine tool (10).
  • the variables (1-4) shown are essentially constant, with such an approximately constant course of the variables (1-4) not excluding fluctuations and deviations from a mean value.
  • the machine tool (10) is a core drill, for example, cylindrical cores can be cut out of solid ground with the drill bit (11).
  • the drill bit as a tool (11) of the machine tool (10) is driven by a motor (12) of the machine tool (10).
  • the movement from the motor (12) to the tool (11) can be transmitted by means of a spindle (14).
  • the machine tool (10) can also include a gear (13). in the in 2 illustrated embodiment of the invention, the core drilling device (10) is attached to a drill stand, the invention can also be used in particular in hand-held machine tools.
  • the second period of time II begins with the blocking of the tool (11) of the machine tool (10).
  • the start of the blockage of the tool (11) of the machine tool (10) is in 1 shown with the first dashed vertical straight line.
  • the speeds of motor (1) and tool (2) fall, while the torque (3) rises sharply.
  • the second period of time II lasts for example 5 ms.
  • the end of the second period of time II is determined by the tool (11) of the machine tool (10) coming to a standstill.
  • the motor (12) of the machine tool (10) requires more time to be completely braked, the standstill of the motor (12) of the machine tool (10) marking the end of the third period of time III. determines.
  • the time offset between standstill of the tool (11) and the motor (12) is determined by the transmission ratio of the gear (13) of the machine tool (10).
  • the torque (3) assumes its highest value (5), which at the same time represents the upper limit (5) of the torque (3).
  • This upper limit (5) of the torque (3) is given in 1 by the block arrow pointing up at the top right of 1 implied.
  • a movement or deflection (4) of the machine tool (10) itself can also occur in the middle of the second period of time II. In the past, this deflection has led to injuries to the arms, shoulders or wrists of users of the machine tool (10), which is why it is a concern of the present invention to minimize this deflection (4).
  • the machine tool (10) or its drive begins to brake. This falls in the third period III. the torque (3) decreases significantly.
  • the transition between the second time span II. and the third time span III. is in 1 shown with the second dashed vertical straight line.
  • the speed (1) of the motor (12) of the machine tool (10) also falls in the third period III., the drop in motor speed (1) occurring approximately linearly until the motor (12) at the end of the third period III. has come to a complete standstill.
  • the deflection (4) of the machine tool (10) is in the third time period III. stopped.
  • the third period III. can last for example 50 ms.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine (10) mit einem Werkzeug (11) und einem Motor (12), wobei der Motor der Werkzeugmaschine in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20·10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt, und einem Verfahren zum Betrieb der Werkzeugmaschine. Durch die Auswahl und Angabe eines Satzes von Parametern, die Eigenschaften des Motors der Werkzeugmaschine beschreiben, kann die Werkzeugmaschine so gestaltet und betrieben werden, dass auf eine mechanische Rutschkupplung verzichtet werden kann. Die Motorparameter "Drehzahl" und "Trägheit" sind insbesondere so ausgewählt, dass ein maximales Drehmoment in einem Getriebe der Werkzeugmaschine stets unterhalb einer festgelegten oberen Grenze liegt. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung ein besonders produktives Arbeiten mit der Werkzeugmaschine, wobei Tests gezeigt haben, dass vorteilhafterweise die Serviceintervalle durch das Weglassen der mechanischen Rutschkupplung verlängert werden können.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug und einem Motor, wobei der Motor der Werkzeugmaschine in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20·10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine, die in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird, wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20.10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt. Durch die Auswahl und Angabe eines Satzes von Parametern, die Eigenschaften des Motors der Werkzeugmaschine beschreiben, kann die Werkzeugmaschine so gestaltet und betrieben werden, dass auf eine mechanische Rutschkupplung verzichtet werden kann. Die Motorparameter "Drehzahl" und "Trägheit" sind insbesondere so ausgewählt, dass ein maximales Drehmoment in einem Getriebe der Werkzeugmaschine stets unterhalb einer festgelegten oberen Grenze liegt. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung ein besonders produktives Arbeiten mit der Werkzeugmaschine, wobei Tests gezeigt haben, dass vorteilhafterweise die Serviceintervalle durch das Weglassen der mechanischen Rutschkupplung verlängert werden können.
    • Hintergrund der Erfindung:
  • Im Stand der Technik sind Werkzeugmaschinen bekannt, mit denen unterschiedliche Arbeiten durchgeführt werden können. Beispielsweise sind Bohrhämmer, Meißelgeräte, Trenn- oder Winkelschleifer, Schraubgeräte oder Kembohrgeräte bekannt, bei denen jeweils ein Werkzeug durch einen Motor angetrieben wird. Eine Energieversorgung kann über einen Netzanschluss oder mit Batterien oder Akkumulatoren ("Akkus") bereitgestellt werden.
  • Bei Geräten, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, soll teilweise versucht werden, ein maximales Drehmoment im Antriebsstrang zu begrenzen, wenn das Gerät bzw. sein Werkzeug blockiert. Dies insbesondere deshalb, um den Nutzer des Geräts zu schützen und um zu verhindern, dass ein Arm, eine Schulter oder ein Handgelenk des Nutzers verletzt wird, wenn sich das Gerät im Falle der Blockade seines Werkzeugs weiterdreht. Bisher werden mechanische Rutschkupplungen eingesetzt, um eine solche Begrenzung des maximalen Drehmoments und der Auslenkung der Werkzeugmaschine herbeizuführen und den Nutzer der Werkzeugmaschine vor zu hohen Belastungen zu schützen. Allerdings sind solche mechanischen Rutschkupplungen kostenintensiv. Darüber hinaus sind mechanische Rutschkupplungen wartungsintensiv und machen kurze Serviceintervalle erforderlich. Des Weiteren werden bei einigen Rutschkupplungen hohe Auslösegeschwindigkeiten beobachtet, was sich nachteilig auf die Produktivität bei der Arbeit mit der Werkzeugmaschine auswirken kann.
  • Zum Schutze des Nutzers sind daher im Stand der Technik mechatronische Lösungen vorgeschlagen worden, mit denen insbesondere die Rückwirkung des Geräts auf den Nutzer begrenzt werden kann. Keine befriedigenden Lösungen gibt es aber für die Begrenzung der kurzfristig im Antriebsstrang auftretenden Spitzendrehmomente, wenn die Werkzeugmaschine bzw. ihr Werkzeug blockiert. Das führt dazu, dass aktuell im Markt befindliche Werkzeugmaschinen und insbesondere ihre mechanischen Komponenten sehr robust ausgelegt sein müssen, um die extremen Belastungen auszuhalten, die mit den Drehmomentspitzen im Falle einer Blockade oder eines Verklemmens des Werkzeugs auftreten können. Damit ist die Mechanik von solchen konventionellen Werkzeugmaschinen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, für den größten Teil der Anwendungsfälle überdimensioniert. Insbesondere bei Kernbohrgeräten, mit denen zylinderförmige Bohrkerne aus einem Untergrund geschnitten werden können, können solche Drehmomentspitzen außerordentlich hoch ausfallen. Dies ist insbesondere auf die Torsionssteifigkeit der Bohrkrone, die das Werkzeug eines Kernbohrgeräts darstellt, zurückzuführen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend beschriebenen Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte Werkzeugmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine bereitzustellen, bei denen eine Begrenzung der Drehmomentspitze bei Blockade oder Verklemmen des Werkzeugs ermöglicht wird. Dabei stellt es ein weiteres Anliegen der Erfindung dar, dass die Werkzeugmaschine ohne mechanische Rutschkupplung auskommen soll, wobei keine Abstriche beim Schutze des Nutzers der Werkzeugmaschine gemacht werden sollen. Darüber hinaus soll eine kompakte und leichte Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, die eine komfortable Handhabung ermöglicht und besonders wartungsarm ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
    • Beschreibung der Erfindung:
  • Die Aufgabe wird dabei in einem ersten Aspekt durch eine Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug und einem Motor gelöst, wobei der Motor in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betreibbar ist, wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20.10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt. Die Abkürzung rpm steht für die Einheit rounds per minutes, d.h. für die Anzahl von Umdrehungen pro Minute. Die Erfinder haben erkannt, dass die Höhe der Drehmomentspitzen, die auftreten, wenn das Werkzeug der Werkzeugmaschine verklemmt oder blockiert, von den Trägheitsverhältnissen innerhalb der Werkzeugmaschine abhängt. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass eine Höhe des maximalen Drehmoments durch eine geschickte Wahl von Motorparametem eingestellt und so begrenzt werden kann, dass das maximale Drehmoment einen vorgegebenen oberen Grenzwert nicht überschreitet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der obere Grenzwert einen maximalen Wert für das Drehmoment darstellt, welches von der Werkzeugmaschine bzw. ihrem Motor erreicht werden kann. Dabei wird das maximale Drehmoment im Antriebsstrang der Werkzeugmaschine insbesondere dann erreicht, wenn das Werkzeug der Werkzeugmaschine verklemmt oder blockiert. Die dann auftretenden hohen Drehmomentwerte werden im Sinne der Erfindung bevorzugt als "Drehmomentspitzen" bezeichnet. Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass das maximale Drehmoment von den Trägheitsverhältnissen zwischen der Werkzeugmaschine und ihrem Motor abhängt, sowie von der Blockiergeschwindigkeit des Werkzeugs und von der Steifigkeit im Antriebsstrang der Werkzeugmaschine. Es stellt einen Grundgedanken der Erfindung dar, dass das maximal auftretende Drehmoment dadurch begrenzt und unter einem oberen Grenzwert gehalten werden kann, wenn die Werkzeugmaschine in einem Bereich der Motordrehzahl von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und die Trägheit des Motors der Werkzeugmaschine in einem Bereich von 20.10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt.
  • Die Erfindung besteht insbesondere in der Angabe der genannten Parameterbereiche von Motordrehzahl und Motorträgheit, so dass das maximale Drehmoment des Motors der Werkzeugmaschine stets unter einer festgelegten oberen Schranke bleibt. Damit kann ein für den Nutzer der Werkzeugmaschine besonders sicherer Betrieb der Werkzeugmaschine ermöglicht werden. Üblicherweise ist die Zeit, in der ein verklemmtes oder blockiertes Werkzeug einer Werkzeugmaschine zum Stehen kommt, sehr kurz. Die entsprechende Zeitspanne kann beispielsweise im Bereich von 5 Millisekunden (ms) liegen. Nach dem Blockier-Ereignis dreht sich die Werkzeugmaschine vorzugsweise mit einer vorgegebenen Anfangsgeschwindigkeit weiter. Diese Bewegung wird vom Nutzer der Werkzeugmaschine als Auslenkung der Werkzeugmaschine wahrgenommen. Tests haben gezeigt, dass diese Auslenkung der Werkzeugmaschine, die in der Vergangenheit häufig zu Verletzungen im Arm-, Schulter- und Handbereich eines Anwenders geführt hat, mit der Erfindung erheblich verringert werden kann.
  • Bei der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine kann es sich insbesondere um ein Kernbohrgerät handeln. Das Werkzeug der Werkzeugmaschine ist dann vorzugsweise als Bohrkrone ausgebildet. Die Bohrkrone dient dazu, zylinderförmige Bohrkerne aus einem festen Untergrund herauszuschneiden. Bei der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine kann es sich aber beispielsweise auch um Hammerbohrgeräte oder Bohrschrauber handeln.
  • Insbesondere wird im Kontext der Erfindung ein Bereich für die Motorträgheit beschrieben, der im ebenfalls angegebenen Drehzahlbereich einen rutschkupplungsfreien Betrieb der Werkzeugmaschine ermöglicht. Somit kann durch die Erfindung auf eine mechanische Rutschkupplung verzichtet werden, so dass die Werkzeugmaschine kostengünstiger hergestellt und kompakter gestaltet werden kann. Dies führt vorteilhafterweise zu einer besonders komfortablen und erleichterten Handhabung der Werkzeugmaschine. Insbesondere kann durch den Betrieb der Werkzeugmaschine im Motordrehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm und im Trägheitsbereich von 20.10-6 bis 750·10-6 kg·m2 eine produktivitätsverbesserte und wartungsarme Werkzeugmaschine mit längeren Serviceintervallen bereitgestellt werden.
  • Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Begriff der Motorträgheit als Massenträgheitsmoment des Motors verstanden wird, insbesondere als Massenträgheitsmoment der rotierenden Bestanteile des Motors um die Drehachse der Motorwelle. Bei den rotierenden Bestanteilen des Motors, die sich vorzugsweise um die Drehachse der Motorwelle drehen, handelt es sich bevorzugt um den Rotor des Motors. Analog wird im Sinne der Erfindung der Begriff "Trägheit der Werkzeugmaschine" bevorzugt als Massenträgheitsmoment der Werkzeugmaschine verstanden, wobei sich die rotierenden Bestandteile der Werkzeugmaschine vorzugsweise um die Drehachse des Werkzeugs drehen.
  • Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der obere Grenzwert für das Drehmoment in einem Bereich von 500 bis 1.500 Nm liegt, bevorzugt in einem Bereich von 700 bis 1.200 Nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 850 bis 950 Nm und am meisten bevorzugt bei 900 Nm. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Höhe der erlaubten maximalen Drehmomentwerte nach der Robustheit des Getriebes der Werkzeugmaschine richtet. Die Erfinder haben erkannt, dass auch der Tangentialanteil der Beschleunigung des Seitenhandgriffs der Werkzeugmaschine für das maximale Drehmoment eine Rolle spielt. Dieser Tangentialanteil der Beschleunigung wird im Kontext dieser Erfindung als sog. "Schmerzmaß" (level of pain, LOP) bezeichnet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass dieser Beschleunigungsanteil als Maß für den Bedienkomfort der Werkzeugmaschine im Fall der Blockade des Werkzeugs der Werkzeugmaschine verwendet wird. Die Erfinder haben erkannt, dass das Schmerzmaß mit dem maximalen Drehmoment bzw. seinen Drehmomentspitzen zusammenhängt. Dieser Zusammenhang ergibt sich insbesondere durch die Trägheit der Werkzeugmaschine. Mithin besteht ein Zusammenhang zwischen der maximal erlaubten Drehzahl und den Drehmomentspitzen innerhalb der Werkzeugmaschine. Somit führt eine Begrenzung des Drehmoments auf Werte unterhalb eines oberen Grenzwerts vorteilhafterweise auch zu einer Begrenzung des Schmerzmaßes und zu einem verbesserten Bedienkomfort der Werkzeugmaschine gegenüber konventionellen Werkzeugmaschinen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
  • Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Werkzeugmaschine ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis aufweist. Vorzugsweise ergibt sich die Übersetzung aus der Motorkennlinie, d.h. der Kennlinie des Motors der Werkzeugmaschine. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Motorkennlinie den kleinsten Drehzahlwert beschreibt, bei der der Motor der Werkzeugmaschine die geforderte Leistung erbringen kann. Die Getriebeübersetzung zeigt sich insbesondere auch in dem zeitlichen Versatz zwischen dem Stillstand des Werkzeugs und dem Stillstand des Motors der Werkzeugmaschine, wenn das Werkzeug der Werkzeugmaschine verklemmt oder blockiert. Während die Zeitspanne für das Stehenbleiben des Werkzeugs beispielsweise in einem Bereich von 5 ms liegt, kann die Zeitspanne für das Stehenbleiben des Motors der Werkzeugmaschine in einem Bereich von 50 ms liegen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind insbesondere die Vorgänge während der genannten Zeitspannen nach einem Verklemmen des Werkzeugs der Werkzeugmaschine. Diese Zeitspannen werden in Fig. 1 als zweite und dritte Zeitspanne bezeichnet.
  • Im Kontext der vorliegenden Erfindung wurde insbesondere erkannt, dass das Schmerzmaß, der Bedienkomfort, sowie das maximale Drehmoment von den Motorparametern Drehzahl, Rotorträgheit und/oder Spitzendrehmoment abhängen kann.
  • Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Trägheit der Werkzeugmaschine in einem Bereich von 30.000·10-6 bis 70.000·10-6 kg·m2 liegt, bevorzugt in einem Bereich von 40.000·10-6 bis 60.000·10-6 kg·m2, besonders bevorzugt in einem Bereich von 45.000·10-6 bis 55.000·10-6 kg·m2 und am meisten bevorzugt bei 50.000·10-6 kg·m2. Die genannten Werte für die Trägheit der Werkzeugmaschine werden vorzugsweise als Eingangsgrößen für die Ermittlung der Motorparameter Drehzahl und Motorträgheit verwendet.
  • Darüber hinaus kann die Werkzeugmaschine eine Spindel aufweisen, mit der eine Drehung des Motors auf das Werkzeug der Werkzeugmaschine übertragen wird. Die Drehzahl der Spindel kann in einem Bereich von 1.000 bis 1.500 rpm liegen, bevorzugt bei 1.250 bis 1.350 rpm und besonders bevorzugt bei 1.300 rpm.
  • Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Drehzahl der Spindel der Drehzahl des Werkzeugs der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine entspricht. Das bedeutet, dass sich das Werkzeug der Werkzeugmaschine vorzugsweise mit einer Drehzahl in einem Bereich von 1.000 bis 1.500 rpm dreht, bevorzugt in einem Bereich von 1.250 bis 1.350 rpm und besonders bevorzugt mit einer Drehzahl von ca. 1.300 rpm. Die Drehzahl der Spindel bzw. die Drehzahl des Werkzeugs der Werkzeugmaschine sind über das Übersetzungsverhältnis im Getriebe mit der Drehzahl des Motors gekoppelt, wobei das Übersetzungsverhältnis eine wesentliche Rolle für das wirksame Trägheitsmoment spielt.
  • In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine. Dabei weist die Werkzeugmaschine ein Werkzeug und einen Motor auf, wobei der Motor der Werkzeugmaschine in einem Drehzahlbereich von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und wobei eine Trägheit des Motors in einem Bereich von 20.10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt. Die für die vorgeschlagene Werkzeugmaschine beschriebenen Definitionen, technischen Wirkungen und Vorteile gelten für das vorgeschlagene Betriebsverfahren analog.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmässigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    beispielhafte Verläufe der Drehzahl des Motors, der Drehzahl des Werkzeugs, des Drehmoments und der Drehzahl des Geräts gegenüber der Zeit t
    Fig. 2
    Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Werkzeugmaschine, insbesondere eines Kembohrgeräts
    Ausführungsbeispiele und Figurenbeschreibung:
  • Fig. 1 zeigt beispielhafte Verläufe der Drehzahl des Motors (1), der Drehzahl des Werkzeugs (2), des Drehmoments (3) und der Drehzahl (4) der Werkzeugmaschine (10) gegenüber der Zeit t. Auf der y-Achse sind von oben nach unten Drehzahl des Motors (1), der Drehzahl des Werkzeugs (2), des Drehmoments (3) und der Drehzahl (4) der Werkzeugmaschine (10) aufgetragen, während auf der x-Achse die Zeit t aufgetragen ist. Die Übersicht ist in drei Zeitbereiche aufgeteilt, die mit römischen Ziffern I., II. und III. beschrieben werden. Die erste Zeitspanne I. betrifft den normalen Betrieb der Werkzeugmaschine (10), bei dem mit der Werkzeugmaschine (10) gearbeitet wird. In dieser ersten Zeitspanne I. verlaufen die in Fig. 1 dargestellten Größen (1-4) im Wesentlichen konstant, wobei ein solcher näherungsweise konstanter Verlauf der Größen (1-4) Schwankungen und Abweichungen um einen Mittelwert nicht ausschließt.
  • Einzelheiten zu der Werkzeugmaschine (10) werden beispielhaft in Fig. 2 dargestellt. Wenn die Werkzeugmaschine (10) ein Kernbohrgerät ist, können beispielsweise zylinderförmige Bohrkerne mit der Bohrkrone (11) aus einem festen Untergrund herausgeschnitten werden. Dabei wird die Bohrkrone als Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) von einem Motor (12) der Werkzeugmaschine (10) angetrieben. Die Übertragung der Bewegung vom Motor (12) zum Werkzeug (11) kann mittels einer Spindel (14) erfolgen. Die Werkzeugmaschine (10) kann ferner ein Getriebe (13) umfassen. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Kernbohrgerät (10) an einem Bohrständer befestigt, wobei die Erfindung insbesondere auch bei handgeführten Werkzeugmaschinen Anwendung finden kann.
  • Die zweite Zeitspanne II. beginnt mit der Blockade des Werkzeugs (11) der Werkzeugmaschine (10). Der Start der Blockade des Werkzeugs (11) der Werkzeugmaschine (10) wird in Fig. 1 mit der ersten gestrichelten, vertikal verlaufenden Gerade dargestellt. In dieser zweiten Zeitspanne II. fallen die Drehzahlen von Motor (1) und Werkzeug (2) ab, während das Drehmoment (3) stark ansteigt. Die zweite Zeitspanne II. dauert beispielsweise 5 ms. Das Ende der zweiten Zeitspanne II. wird dadurch festgelegt, dass das Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) zum Stillstand kommt. Der Motor (12) der Werkzeugmaschine (10) benötigt mehr Zeit, um vollständig abgebremst zu werden, wobei der Stillstand des Motors (12) der Werkzeugmaschine (10) das Ende der dritten Zeitspanne III. festlegt. Der zeitliche Versatz zwischen Stillstand des Werkzeugs (11) und des Motors (12) wird von dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes (13) der Werkzeugmaschine (10) bestimmt. Insgesamt kommt es im Kontext der Erfindung zu einer Impulsumverlagerung vom Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) auf die Werkzeugmaschine (10) selbst, wobei es ein Anliegen der Erfindung ist, dass die Impulsumverlagerung und eine Auslenkung der Werkzeugmaschine (10) so begrenzt werden, dass davon keine Gefahr für den Nutzer von der Werkzeugmaschine (10) ausgeht.
  • Etwa in der Mitte der zweiten Zeitspanne II. nimmt das Drehmoment (3) seinen höchsten Wert (5) an, der gleichzeitig die obere Grenze (5) des Drehmoments (3) darstellt. Diese obere Grenze (5) des Drehmoments (3) wird in Fig. 1 durch den nach oben deutenden Blockpfeil oben rechts in Fig. 1 angedeutet. Ebenfalls in der Mitte der zweiten Zeitspanne II. kann es zu einer Bewegung bzw. Auslenkung (4) der Werkzeugmaschine (10) selbst kommen. Diese Auslenkung hat in der Vergangenheit zu Verletzungen an den Armen, Schultern oder Handgelenken von Nutzern der Werkzeugmaschine (10) geführt, weswegen es ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist, diese Auslenkung (4) zu minimieren. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass es zu einer Impulsumverlagerung vom Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) auf die Werkzeugmaschine (10) selbst kommt, wobei es ein Anliegen der Erfindung ist, dass die Impulsumverlagerung und die damit verbundene Auslenkung der Werkzeugmaschine (10) so begrenzt werden, dass davon keine Gefahr für den Nutzer von der Werkzeugmaschine (10) ausgeht. Es stellt ein weiteres Anliegen der Erfindung dar, dass das Drehmoment (3) stets unter der oberen Grenze (5) für das Drehmoment (3) liegt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Motor (12) der Werkzeugmaschine (10) in einem Drehzahlbereich (1) von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und eine Trägheit des Motors (12) der Werkzeugmaschine (10) in einem Bereich von 20.10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt.
  • Im Übergang zwischen der zweiten Zeitspanne II. und der dritten Zeitspanne III. beginnt die Werkzeugmaschine (10) bzw. ihr Antrieb mit dem Bremsen. Dadurch fällt in der dritten Zeitspanne III. das Drehmoment (3) stark ab. Der Übergang zwischen der zweiten Zeitspanne II. und der dritten Zeitspanne III. wird in Fig. 1 mit der zweiten gestrichelten, vertikal verlaufenden Gerade dargestellt. Auch die Drehzahl (1) des Motors (12) der Werkzeugmaschine (10) sinkt in der dritten Zeitspanne III., wobei der Abfall der Motordrehzahl (1) näherungsweise linear erfolgt, bis der Motor (12) am Ende der dritten Zeitspanne III. vollständig zum Stillstand gekommen ist. Auch die Auslenkung (4) der Werkzeugmaschine (10) wird in der dritten Zeitspanne III. gestoppt. Die dritte Zeitspanne III. kann beispielsweise 50 ms dauern.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Drehzahl des Motors
    2
    Drehzahl des Werkzeugs
    3
    Drehmoment bzw. Last
    4
    Drehzahl der Werkzeugmaschine
    5
    obere Grenze des Drehmoments
    10
    Werkzeugmaschine
    11
    Werkzeug
    12
    Motor
    13
    Getriebe
    14
    Spindel
    I.
    Betrieb der Werkzeugmaschine
    II.
    Zeitspanne, in der das Werkzeug im Blockadefall zum Stillstand kommt
    III.
    Zeitspanne, in der der Motor im Blockadefall zum Stillstand kommt

Claims (8)

  1. Werkzeugmaschine (10) mit einem Werkzeug (11) und einem Motor (12)
    gekennzeichnet dadurch, dass
    der Motor (12) in einem Drehzahlbereich (1) von 2.000 bis 30.000 rpm betreibbar ist, wobei eine Trägheit des Motors (12) in einem Bereich von 20.10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt.
  2. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 1
    gekennzeichnet dadurch, dass
    die Werkzeugmaschine (10) keine mechanische Rutschkupplung aufweist.
  3. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2
    gekennzeichnet dadurch, dass
    ein Drehmoment (3) des Motors (12) der Werkzeugmaschine (10) einen oberen Grenzwert (5) nicht überschreitet.
  4. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 3
    gekennzeichnet dadurch, dass
    der obere Grenzwert (5) für das Drehmoment (3) in einem Bereich von 500 bis 1.500 Nm liegt, bevorzugt in einem Bereich von 700 bis 1.200 Nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 850 bis 950 Nm und am meisten bevorzugt bei 900 Nm.
  5. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    gekennzeichnet dadurch, dass
    die Werkzeugmaschine (10) ein Getriebe (13) mit einem Übersetzungsverhältnis aufweist.
  6. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    gekennzeichnet dadurch, dass
    eine Trägheit der Werkzeugmaschine (10) in einem Bereich von 30.000·10-6 bis 70.000·10-6 kg·m2 liegt, bevorzugt in einem Bereich von 40.000·10-6 bis 60.000·10-6 kg·m2, besonders bevorzugt in einem Bereich von 45.000·10-6 bis 55.000·10-6 kg·m2 und am meisten bevorzugt bei 50.000·10-6 kg·m2.
  7. Werkzeugmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    gekennzeichnet dadurch, dass
    die Werkzeugmaschine (10) eine Spindel (14) aufweist, mit der eine Drehung des Motors (12) auf das Werkzeug (11) der Werkzeugmaschine (10) übertragbar ist, wobei eine Drehzahl der Spindel (14) in einem Bereich von 1.000 bis 1.500 rpm liegt, bevorzugt bei 1.250 bis 1.350 rpm und besonders bevorzugt bei 1.300 rpm.
  8. Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine (10)
    gekennzeichnet dadurch, dass
    die Werkzeugmaschine (10) ein Werkzeug (11) und einen Motor (12) aufweist, wobei der Motor (12) der Werkzeugmaschine (10) in einem Drehzahlbereich (1) von 2.000 bis 30.000 rpm betrieben wird und wobei eine Trägheit des Motors (12) in einem Bereich von 20.10-6 bis 750·10-6 kg·m2 liegt.
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