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Aufgabe der Erfindung
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Die
Erfindung bezeichnet eine Handwerkzeugmaschine mit einem Luftfederschlagwerk,
welches von einem Linearmotor angetrieben wird, wie einen Bohrhammer
oder Meisselhammer, sowie ein zugeordnetes Steuerverfahren.
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Bei
der zweckbestimmten Verwendung der schlagenden Handwerkzeugmaschine
muss sowohl ein stabiler Schlagbetrieb über alle Lastbereiche
als auch der Übergang aus dem Schlagbetrieb in den schlagfreien
Leerschlagbetrieb bei vom Werkstück abgehobenem Werkzeug
gewährleistet sein. Die sichere Funktionsweise der schlagenden
Handwerkzeugmaschine muss in jeder in der Praxis vom Nutzer gewählten
Betriebsbedingung gewährleistet sein, wobei der Nutzer
insbesondere folgende Betriebsbedingungen vorgeben kann:
- – die Handwerkzeugmaschine ist ausgeschaltet und
der Linearmotor ist nicht in Betrieb;
- – der Linearmotor ist in Betrieb aber das Werkzeug
ist nicht in Kontakt mit dem Werkstück,
- – der Linearmotor ist in Betrieb und das Werkzeug wird
an das Werkstück angesetzt,
- – der Linearmotor wird erst nach dem Ansetzen des Werkzeuges
an das Werkstück in Betrieb genommen,
- – der Linearmotor ist in Betrieb und die Handwerkzeugmaschine
befindet sich in einem stabilen Schlagzustand,
- – der Linearmotor ist in Betrieb und das Werkzeug wird
knapp über das Werkstück geführt (Schwebemeisseln),
- – der Linearmotor ist in Betrieb und das Werkzeug wird
weit vom Werkstück abgesetzt,
- – die Handwerkzeugmaschine wird ausgeschaltet während
das Werkzeug an das Werkstück angesetzt ist.
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Nach
der
GB1396812 ist bei
einer Handwerkzeugmaschine mit einem Linearmotor, dessen weichmagnetischer
Läufer direkt als Schlagkolben ausgebildet. Der Läufer
schlägt direkt auf das maschinenseitige Stirnende des Werkzeugs
bzw. Döppers. Nach der
US4553074 ist
ein zugeordnetes Verfahren zur Steuerung des Linearmotors bekannt.
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Nach
der
EP1472050 ist der
weichmagnetische Läufer des gesteuerten Linearmotors als
Erregerkolben eines über eine Luftfeder angekoppelten Schlagkolbens
ausgebildet. Durch die Steuerung des Läufers kann das Luftfederschlagwerk
beim Abheben des Werkzeugs vom Werkstück elektrisch gestoppt
werden, ohne das dazu ein durch die Versetzung des Werkzeugs gesteuerter
Leerschlagweg des Schlagkolbens notwendig ist, der die relativ weiten Belüftungsöffnungen
zur Luftfeder mechanisch öffnet. Zum Halten des Läufers
in einer Referenzposition oder einer Leerschlagposition ist zusätzlich
zur Erregerspule eine Haltespule notwendig. Dabei kann die Referenzposition
mit der Leerschlagposition identisch sein. Nach der
WO2007000344 ist beidseitig des
Läufers eine Luftfeder ausgebildet. Der somit stets zwischen
zwei Luftfedern hin- und her schwingende Läufer kann elektromagnetisch
beschleunigt und gebremst werden. In der kolbenseitigen Luftfeder
tritt je nach Schlagwerk, Betriebsbedingung oder Werkzeugwechselwirkung
eine mehr oder weniger hohe Druckspitze auf, wenn sich Erregerkolben
und Schlagkolben annähern. Diese Druckspitze erzeugt eine
Kraft, die einerseits den Schlagkolben beschleunigt und auf das
Werkzeug schlagen lässt, andererseits jedoch die Bewegung
des mechanisch axial freibeweglichen Erregerkolbens wesentlich beeinflusst, insbesondere
wenn dieser als leichtes Bauteil ausgebildet ist, um mit geringer
Energie hin- und her beschleunigt werden zu können. Die
Tatsache, dass bei der Kinematik des Erregerkolbens keine durch
eine Mechanik eingeprägte Zwangsführung des Erregerkolbens
vorhanden ist, erschwert eine stabile Regelung der Bewegung des
als Erregerkolben ausgebildeten Läufers, da die Wendepunkte
der Bewegung nicht bei jeder Schlagperiode gleich positioniert sind. Zwar
wäre der Läufer im (durch Reibungsdämpfung) über
mehrere Bewegungsperioden ausgeschwungenen Zustand durch eine Haltespule
magnetisch an einer Referenzposition fixierbar, auf Grund der Massenträgheit
nicht jedoch der kinetisch hochenergetische Läufer in der
selbigen Bewegungsperiode. Somit besteht auch bei Verwendung einer
zusätzlichen Haltespule weiterhin das Problem der fehlenden
mechanisch eingeprägten Zwangsführung des Läufers bzw.
der nicht örtlich gleich positionierten Wendepunkte.
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Zudem
treibt nach der
EP0718075 bei
einem Luftfederschlagwerk ein Linearmotor direkt den Erregerkolben
an, indem dieser über eine axial begrenzt lose Kopplung
mit dem Läufer des Linearmotors verbunden ist. Dabei weist
nach der
DE 10 2005 017 483 der
Läufer des ein- oder mehrphasig betriebenen Linearmotors
dazu mehrere, in einem bestimmten Polabstand axial versetzte Permanentmagneten wechselnder
Polarität auf, denen jeweils Joche eines kammförmig
gezahnten Stators zugeordnet sind. Zwar erfolgt durch die lose Kopplung
zeitweise eine Entkopplung der komplexen Kinematik, dafür
muss jedoch der Kupplungsvorgang selbst zusätzlich geregelt
werden, wobei insbesondere der Läufer zusätzlich
beschleunigt und gebremst werden muss.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist die bei praxisrelevanten Betriebsbedingungen
robuste Realisierung einer Handwerkzeugmaschine mit einem Luftfederschlagwerk,
welches von einem Linearmotor angetrieben wird, sowie eines zugeordneten
Steuerverfahrens.
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Die
Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1
und Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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So
weist eine Handwerkzeugmaschine mit einem Linearmotor einen Läufer
auf, der längs einer Schlagachse axial zwischen zwei Wendepunkten
begrenzt beweglich ist und über den ein Schlagkolben vermittelt über
eine Luftfeder antreibbar ist, wobei zur Istzustandsbestimmung des
Läufers ausgebildete Sensoren mit einem Rechenmittel verbunden
sind, das über eine Leistungselektronik mit zumindest einer
Erregerspule des Linearmotors verbunden ist, wobei der Läufer
in zumindest einem Wendepunkt gegen ein Anlegeelement versetzbar
und elektromagnetisch gegen diese andrückbar ist.
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Durch
das elektromagnetische Anpressen an einem mechanischen Anlegeelement
ist für jede Bewegungsperiode zumindest eine örtlich
gleich positionierte Anfangslage (also ein Wendepunkt) des Läufers
realisiert, wodurch das diesen steuernde Steuerverfahren einfacher
und robuster wird, als wenn der Wendepunkt der Bewegung des (anlagefreien)
Läufers nicht fixiert ist und die Kinematik somit hochkomplex
wird.
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Vorteilhaft
ist bei der Ausbildung eines Läufers mit in einer axialen
Polteilung periodisch alternierenden Permanentmagneten und zugeordneten
Polen des Stators zur Vermeidung des Hängenbleibens des
Läufers in einer Kraftlücke der Wendepunkt (und entsprechend
die zugeordnete Anlage) des Läufers in einer Startposition
angeordnet, die ausserhalb der Kraftlückenposition liegt,
bei welcher auch bei bestromter Erregerspule die Motorkraft auf
den Läufer Null ist, weiter vorteilhaft um etwas weniger
als ein Viertel der Polteilung davon versetzt. Dadurch ist stets
ein zuverlässiger Start der Bewegung des Läufers
möglich.
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Vorteilhaft
ist die Startposition des Läufers auch eine Rastposition,
in der bei unbestromter Erregerspule die Rastkraft auf den Läufer
ungleich Null ist und der Läufer dabei gegen das Anlegeelement drückt,
wodurch auch bei unbestromter Erregerspule der Läufer zuverlässig
an dem Anlegeelement festgehalten wird.
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Vorteilhaft
ist ein dem Flugkolben nahes vorderes Anlegeelement für
den Läufer vorhanden, wodurch unzulässige Positionen
vermieden werden.
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Vorteilhaft
bestehen die Anlagen aus einem vernetzten Elastomer, weiter vorteilhaft
aus Silikonkautschuk, wodurch diese hochtemperaturbeständig und
ermüdungsarm sind.
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Vorteilhaft
ist ein mechanischer Einrastmechanismus, der steuerbar mit dem Rechenmittel
verbunden ist, für den an dem zum Stator nahen hinteren
Anlegeelement festgehaltenen Läufer vorhanden, wodurch
bei abgeschaltetem Linearmotor die Position des Läufers
stromlos fixiert ist.
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Vorteilhaft
weist das Führungsrohr ein enges Schnaufloch auf, wodurch
für ein (über die Bewegungsperiode) gemitteltes
konstantes Luftvolumen in der Luftfeder gesorgt ist.
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Vorteilhaft
ist zumindest eine werkzeugseitig zum Schnaufloch versetzte relativ
weite Belüftungsöffnung vorhanden, die zwar im
stabilen Schlagbetrieb immer vom Schlagkolben verschlossen ist,
aber beim werkzeugseitig versetzen Werkzeug (wenn das Werkzeug weit
vom Werkstück abgehoben wird) durch werkzeugseitige Versetzung
des Schlagkolbens in eine Leerschlagstellung zur Luftfeder offen ist,
wodurch ein Abstellen des Schlagwerks erfolgt, wenn das Werkzeug
weit vom Werkstück abgehoben ist. Die zur Entlüftung
der Luftfeder dienende Belüftungsöffnung kann
ausschliesslich innen über den Flugkolben (passiv) oder
zusätzlich aussen über eine versetzbare Steuerhülse
(aktiv) verschlossen werden.
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Bei
dem zugeordneten Steuerverfahren für eine Handwerkzeugmaschine
mit einem Linearmotor mit einem Läufer, über den
ein Schlagkolben vermittelt über eine Luftfeder längs
einer Schlagachse antreibbar ist und zumindest im stabilen Schlagbetrieb zwischen
einem zum Schlagkolben nahen vorderen Wendepunkt und einem weiteren
hinteren Wendepunkt gesteuert hin- und herbewegbar ist, erfolgt
zumindest in einem weiteren Betriebszustand als dem des stabilen
Schlagbetriebes innerhalb der Bewegungsperiode ein Verzögerungsschritt,
bei dem der sich zum Schlagkolben hin bewegende Läufer
elektromagnetisch verzögert wird.
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Im
stabilen Schlagbetrieb bildet sich bei Annäherung des Läufers
an den Schlagkolben in der Luftfeder eine Druckspitze aus. Diese
bedingt, dass der Läufer aufgrund seiner geringen Masse
unweigerlich in seiner Vorwärtsbewegung abgebremst wird und
wendet, selbst wenn die Motorkraft auf maximalen Vorschub gesetzt
ist. Fehlt in einem weiteren Betriebszustand (Leerschlag) diese
Druckspitze oder ist sie zu schwach, kann die Position des vorderen
Wendepunktes durch den Verzögerungsschritt aktiv beeinflusst
werden, welche ansonsten primär von dem sich in der Luftfeder
ausbildenden Druck abhängt und ungeregelt stark variieren
würde. Die Entscheidungskriterien zum aktiven Verzögern
des Läufers basieren auf sensorisch erfassten Daten wie
bspw. dem Istbewegungszustand I(x(t), v(t), a(t)) des Läufers
zur Zeit t oder dem Druck p in der Luftfeder.
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Vorteilhaft
berechnet ein Bestromungsschritt mit dem Rechenmittel aus (vorgegebenen
oder berechneten) Daten eines kinematischen Sollbewegungszustands
S(x(t + [delta]t), v(t + [delta]t), a(t + [delta]t)) des Läufers
zur Zeit t + [delta]t die zu dessen Erzielung notwendige Bestromung
der Erregerspule(n) und bestromt diese über die Leistungselektronik.
Dabei nutzt das Rechenmittel gespeicherte integrierte Motormodelle
zur Motorkennlinie oder greift auf im Speicher abgelegte Messdatenarrays
der Motorkennlinie zurück und interpoliert diese.
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Vorteilhaft
weist bei der Ausbildung des Läufers mit in einer axialen
Polteilung periodisch alternierenden Permanentmagneten und zugeordneten
Polen des Stators der Bestromungsschritt eine Polphasenberechnung
auf, die aus der Position des Läufers die Polphase innerhalb
der Polteilung berechnet, wodurch bei der Berechnung der Bestromung
die Periodizität der Motorkennlinie nutzbar ist und die
Motormodelle bzw. Messdatenarrays verkleinert.
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Vorteilhaft
erfolgt zumindest im Betriebszustand des stabilen Schlagbetriebes
beim Vorschub und beim Rückschub die Beschleunigung jeweils
mit konstanter Motorkraft, indem im Bestromungsschritt die Erregerspulen
mit betragsmässig konstanter Stromstärke bestromt
werden, wodurch eine hohe Stossfrequenz erreicht wird. Zudem erzeugen
alternierend geschaltete Ströme nur geringe Wärmeverluste
in der Leistungselektronik und benötigen nur zwei hochbelastbare
Potentiale.
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Vorteilhaft
geht dem Verzögerungsschritt ein Berechnungsschritt voraus,
der mit dem Rechenmittel aus sensorisch erfassten Daten des kinematischen
Istbewegungszustands I(x(t), v(t), a(t)) des Läufers einen
Verzögerungszeitpunkt berechnet, an dem der Verzögerungsschritt
einsetzt, wodurch der Verzögerungsschritt (alleinig) über
die Zeit t als Parameter steuerbar ist. Der berechnete Verzögerungszeitpunkt
stellt sicher, dass der Läufer an einem vorgegebenen vorderen
Wendepunkt wendet. Dabei nutzt das Rechenmittel gespeicherte integrierte
Berechnungsmodelle zum Verzögerungsvorgang oder greift
auf im Speicher abgelegte Messdatenarrays des Verzögerungsvorgangs
zurück und interpoliert diese.
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Vorteilhaft
erfolgt zumindest im Betriebszustand des stabilen Schlagbetriebes
in jeder Bewegungsperiode ein Anlageschritt, bei dem der Läufer
in einem Wendepunkt an ein Anlegeelement angenähert und
dort temporär elektromagnetisch festgehalten wird. Dadurch
können auch Erschütterungen die definierte Position
des Läufers nicht ändern.
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Vorteilhaft
wird im Anlageschritt der Läufer an das hintere Anlegeelement
angenähert und dort temporär elektromagnetisch
festgehalten, wodurch der Schlagkolben bereits in die Ausgangsposition
für den nächsten Schlag gesaugt wird.
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Vorteilhaft
erfolgt zumindest in einem weiteren Betriebszustand (Anfahren, Absetzen,
Leerschlagbetrieb) als den des stabilen Schlagbetriebes in jeder
Bewegungsperiode ein Anlageschritt, bei dem der Läufer
in dem vorderen Wendepunkt an ein Anlegeelement angenähert
und dort temporär elektromagnetisch festgehalten wird.
Dadurch können unzulässige Positionen des Läufers
vermieden werden. Für die Detektion des vom stabilen Schlagbetrieb
aufgrund der fehlenden Abbremsung durch die Druckspitze abweichenden
Leerschlagereignisses und dem darauf folgenden aktiven Anlegen des
Läufers an das vordere Anlegeelement können mehrere Messgrössen
benutzt werden, insbesondere:
Der Läufer überschreitet
bei gegebenem Ort bzw. Zykluszeit eine kritische Geschwindigkeit
bzw. kinetische Energie.
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Der
Läufer überschreitet absolut oder bei gegebener
Zykluszeit einen kritischen Weg.
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Der
Schlagkolben überschreitet absolut oder bei gegebener Zykluszeit
einen kritischen Weg.
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Die
Luftfeder unterschreitet bei gegebener Zykluszeit einen kritischen
Druck.
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Das
Schlagwerk unterschreitet bei gegebener Zykluszeit eine kritische
eingespeiste Energie, welche berechnet werden kann, wenn die Motorspannung
bzw. der Motorstrom und die Läufergeschwindigkeit bzw.
die auf den Läufer wirkende Kraft (bspw. durch Abschätzung über
Motorstrom) bekannt sind.
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Vorteilhaft
erfolgt beim Übergang des Ruhebetriebs oder des Leerschlagbetriebs
zum stabilen Schlagbetrieb in einem Ansaugschritt zum Ansaugen des
sich gerade nicht mehr in der Leerschlagposition befindlichen Schlagkolbens
innerhalb der ersten Bewegungsperiode ein Anlageschritt an die vordere
Anlage, an den sich für eine Abblaszeit, die länger
als eine Periodendauer des stabilen Schlagbetriebes ist und weiter
vorteilhaft kürzer als zehn Periodendauer, ein Halteschritt
anschliesst, wodurch die überflüssige Luft in
der Luftfeder über das Schnaufloch abgeblasen wird.
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Vorteilhaft
erfolgt beim über den (vom Nutzer betätigten)
Handschalter gesteuerten Übergang zum Ruhebetrieb ein Anlageschritt
an die hintere Anlage, an den sich ein Einrastschritt anschliesst,
der den Läufer an der hinteren Anlegeelement mechanisch einrastet,
wodurch in einer (vom Nutzer abhängige) Ruhezeit die Luftfeder über
das Schnaufloch belüftet wird. Umgekehrt wird beim Übergang
aus dem Ruhebetrieb zuerst ein Ausrastschritt zur mechanischen Ausrastung
des Läufers ausgeführt.
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Vorteilhaft
weist der Anlageschritt einen Bremsschritt mit (die Bewegung) verzögernder
Motorkraft, bei dem der Läufer sacht an das Anlegeelement
angenährt wird, und einen zeitlich späteren Halteschritt
mit (die Bewegung) beschleunigender Motorkraft auf, bei dem der
Läufer dort temporar festgehalten wird, wodurch beide Schritte
getrennt steuerbar sind.
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Vorteilhaft
geht dem Bremsschritt ein Berechnungsschritt voraus, der aus sensorisch
erfassten Daten des kinematischen Istbewegungszustands (x(t), v(t),
a(t)) des Läufers mit dem Rechenmittel einen Bremszeitpunkt
berechnet, an dem der Bremsschritt einsetzt, wodurch der Bremsvorgang
(alleinig) über die Zeit t als Parameter steuerbar ist.
Der berechnete Bremszeitpunkt stellt sicher, dass der Läufer
nur mit einer geringen (< 2m/s)
Endgeschwindigkeit sanft auf das Anlegeelement trifft. Dabei nutzt das
Rechenmittel gespeicherte integrierte Berechnungsmodelle zum Bremsvorgang
oder greift auf im Speicher abgelegte Messdatenarrays des Bremsvorgangs
zurück und interpoliert diese.
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Vorteilhaft
werden als Variable des Berechnungsschritts die Geschwindigkeit
und die Position des kinematischen Istbewegungszustands des Läufers
als Variable des Berechnungsschritts sensorisch erfasst. Selbstverständlich
sind auch davon abgeleitete Grössen wie Energie usw. möglich.
Dazu ist es bspw. hinreichend, mit zwei axial versetzten Sensoren
den Passagezeitpunkt des Läufers zu erfassen. Selbstverständlich
sind auch andere, dazu geeignete Sensoranordnungen möglich.
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Vorteilhaft
beinhaltet der Bremsschritt einen Kraftregelkreis zur Regelung der
für eine gleichförmige Annäherungsgeschwindigkeit
(an die Anlage) erforderlichen Motorkraft, wodurch im Bremsschritt
insbesondere bei einer noch kalten Handwerkzeugmaschine die erhöhten
Reibwerte kompensiert werden können. Dazu ist es bspw.
hinreichend, mit einem nahe an dem Anlegeelement positionierten,
axialen Sensorarray eine Vielzahl von Passagezeitpunkten des Läufers
zu erfassen. Selbstverständlich sind auch andere, dazu
geeignete Sensoranordnungen möglich.
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Vorteilhaft
geht dem Halteschritt ein Triggerschritt voraus, der aus sensorisch
erfassten Daten des kinematischen Istbewegungszustands (x(t), v(t), a(t))
des Läufers mit dem Rechenmittel eine Triggerbedingung
für den Haltezeitpunkt berechnet, an dem der Halteschritt
einsetzt, wodurch der Haltevorgang (alleinig) über die
Zeit t als Parameter steuerbar ist.
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Vorteilhaft
werden als Variable des Triggerschritts eine Geschwindigkeitsschranke
und/oder eine Positionsschranke des kinematischen Istbewegungszustands
des Läufers sensorisch erfasst. Selbstverständlich
sind auch davon abgeleitete Grössen wie Energie usw. möglich.
Dazu ist es bspw. hinreichend, mit einem nahe an dem Anlegeelement positionierten
Sensor den Passagezeitpunkt des Läufers zu erfassen. Selbstverständlich
sind auch andere, dazu geeignete Sensoranordnungen möglich.
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Die
Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
näher erläutert mit:
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1 als
Handwerkzeugmaschine
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2 als
Motorkennlinie
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3 als
Steuerverfahren
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4 als
Bestromungsschritt
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5 als
stabiler Schlagbetrieb
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6 als
Leerschlagbetrieb
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7 als
Berechnungsschritt
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8 als
Messdatenarray
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9 als
Anlageschritt
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10 als
Abblasen
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11 als
Ruhebetrieb
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Nach 1 weist
eine längs einer Schlagachse A schlagende Handwerkzeugmaschine 1 einen
Linearmotor 2 mit zumindest einer Erregerspule 10 auf,
dessen axial zwischen zwei Wendepunkten W begrenzt beweglicher Läufer 3 über
eine Luftfeder 4 einen Schlagkolben 5 antreibt,
der axial vom auf ein Aufschlagmittel in Form eines Döppers 6 schlägt,
der auf ein Werkzeug 7 schlägt. Dabei sind zur
Bestimmung des Istbewegungszustands I(x(t), v(t), a(t)) des Läufers 3 und
des Schlagkolbens 5 ausgebildete Sensoren in Form je eines
axial orientierten Hall-Sensorarrays 8 zur Detektion der
Position des Läufers 3 bzw. des Schlagkolbens 5,
Strom- und Spannungssensoren 29 für die Erregerspule 10 und
einem zur Luftfeder 4 offenen Drucksensor 30 über
ein elektronisches Rechenmittel 9 mit einer Leistungselektronik 33 mit
der Erregerspule 10 des Linearmotors 2 verbunden.
Der Läufer 3 ist innerhalb der beiden im Abstand
von 40 mm liegenden Wendepunkte W gegen je ein Anlegeelement 11a, 11b aus
einem vernetzten Elastomer in Form von Silikonkautschuk versetzbar und
liegt (wie dargestellt), elektromagnetisch gegen das hintere Anlegeelement 11a druckvorgespannt, an
dem hinteren Anlegeelement 11a an. Der Läufer 3 ist
mit in einer axialen Polteilung P periodisch alternierenden Permanentmagneten 12 und
zugeordneten Polen 13 des Stators 14 ausgebildet.
Zudem ist ein mechanischer Einrastmechanismus 15 in Form eines
Rasthakens für den am hinteren Wendepunkt W an dem hinteren
Anlegeelement 11a festgehaltenen Läufer 3 vorhanden,
der steuerbar mit dem Rechenmittel 9 verbunden ist. Die
Luftfeder 4 bildet sich aus, indem sowohl der Läufer 3 als
auch der Schlagkolben 5 in einem temporar luftdichten Führungsrohr 28 koaxial
reibungsarm geführt ist. Zudem besitzt die Luftfeder 4 ein
enges Schnaufloch 31, das für ein konstantes mittleres
Luftvolumen in der Luftfeder 4 sorgt. Die im stabilen Schlagbetrieb
(wie dargestellt) vom Schlagkolben 5 verschlossenen, weiten
Belüftungsöffnungen 32 dienen zum schnellen
Belüften der Luftfeder 4 und damit zum Abstellen
des Schlagwerks, wenn das Werkzeug 7 und der Döpper 6 nach vorne
fahren, indem das Werkzeug 7 weit vom Werkstück
abgehoben wird.
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Nach 2 ist
die Motorkennlinie der Motorkraft F(x) und die Rastkraft R(x) für
einen Läufer 3 (1) mit in
einer axialen Polteilung P periodisch alternierenden Permanentmagneten 12 (1)
und zugeordneten Polen 13 (1) des Stators 14 (1)
dargestellt. Zur Vermeidung des Hängenbleibens des Läufers 3 (1)
in einer Kraftlücke mit der Motorkraft F(x) = 0 ist der
Wendepunkt W (1) und entsprechend das zugeordnete
Anlegeelement 11a, 11b (1) des Läufers 3 (1)
in einer Startposition SP angeordnet, die ausserhalb der Kraftlückenposition
KP liegt, bei welcher auch bei bestromter i[ungleich]0 Erregerspule 10 (1)
die Motorkraft F(x) auf den Läufer 3 (1)
stets Null ist, indem diese in einer Polphase [phi](x) um etwas
weniger als ein Viertel der Polteilung P davon versetzt ist. Die
einen Wendepunkt W (1) bildende Startposition SP
ist zugleich auch eine Rastposition RP, bei welcher bei unbestromter
i = 0 Erregerspule 10 (1) die Rastkraft
R(x) auf den Läufer 3 (1) ungleich Null
ist und dabei gegen das Anlegeelement 11 (1)
drückt. Mit der Richtung der Stromstärke i wechselt
auch die Motorkraft F(x) die Richtung.
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Nach 3 weist
das als Algorithmus für das Rechenmittel 9 (1)
zugeordnete Steuerverfahren 16 für eine schlagende
Handwerkzeugmaschine 1 (1) nach
dem dargestellten Statusdiagram mehrere (vom Nutzer direkt oder
mittelbar durch die Rahmenbedingungen) auswählbare Betriebszustände 17a, 17b, 17c auf,
nämlich den stabilen Schlagbetrieb 17a bei aktivem
Linearmotor 2 (1) und an das Werkstück
angesetztem oder knapp über dem Werkstück geführten
(Schwebemeisseln) Werkzeug 7 (1), den
Leerschlagbetrieb 17b bei aktivem Linearmotor 2 (1)
und weit vom Werkstück entfernten Werkzeug 7 (1)
und den Ruhebetrieb 17c bei deaktiviertem Linearmotor 2 (1).
Zwischen allen Betriebszuständen 17a, 17b, 17c kann
in beiden Richtungen gewechselt werden.
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Nach 4 wird
innerhalb des Algorithmus wiederholt ein Bestromungsschritt 19 ausgeführt, welcher
aus zuvor berechneten oder gespeicherten Daten eines kinematischen
Sollbewegungszustands S(x(t + [delta]t), v(t + [delta]t), a(t +
[delta]t)) des Läufers 3 (1) zur Zeit
t + [delta]t die zu dessen Erzielung notwendige Stromstärke
i(t) der Erregerspule(n) 10 (1) des Linearmotors 2 (1)
ermittelt, welche von der Leistungselektronik 33 (1)
gesteuert durch die Erregerspule(n) 10 (1)
fliesst und die notwendige Motorkraft F(x(t)) (2)
bewirkt. Dazu greift das Rechenmittel 9 (1)
auf ein im Speicher abgelegtes Messdatenarray 20 (8)
der Schlagwerkskennlinie zurück und interpoliert diese.
Bei der in 1 dargestellten Ausbildung des
Läufers 3 (1) weist
der Bestromungsschritt 19 zusätzlich eine Polphasenberechnung 21 auf,
die aus der Position x(t) des Läufers 3 (1)
die Polphase [phi](x) innerhalb der Polteilung P berechnet. Dazu
modelliert das Rechenmittel 9 (1) die Motorkennlinie (2)
durch einfache trigonometrische Funktionen über der Polphase
[phi](x). Entsprechend der gegebenen Polphase [phi](x) wird die
notwendige Stromstärke i(t) ermittelt, deren Bestromung
durch die Erregerspule(n) 10 (1) die Motorkraft
F(x(t)) (2) erzeugt.
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Nach 5 sind
im Betriebszustand 17a (3) des stabilen
Schlagbetriebes, bei dem der Läufer 3 (1)
zwischen einem zum Schlagkolben 5 (1) nahen
vorderen Wendepunkt W (1) und einem zum Schlagkolben 5 (1)
weiten hinteren Wendepunkt W (1) gesteuert
hin- und herbewegt wird, die Läuferposition xL(t), die
Schlagkolbenposition xS(t), der Luftfederdruck p(t) und die Motorkraft
F(t) geeignet skaliert über der Zeit t dargestellt. Dazu
erfolgt innerhalb jeder Bewegungsperiode der Periodendauer T ein
Vorschub 34 des Läufers 3 (1)
mit konstanter Motorkraft F(t). Die Wende der Bewegung bewirkt allein
die Druckspitze mit maximalem Druck p(t) in der Luftfeder 4 (1),
welche vom Rechenmittel 9 (1) sensorisch
erfasst wird. Der sich unmittelbar an den Vorschub 34 anschliessende Rückschub 35 erfolgt
mit umgekehrter betragsgleicher, konstanter Motorkraft F(t). Wie
am Knick der Schlagkolbenposition xS(t) erkennbar, erfolgt etwas später
der Kraftstoss des Schlagkolbens 5 (1) auf den
Döpper 6 (1). Da der
Betriebszustand 17a (2) des stabilen
Schlagbetriebes somit flexibel bezüglich relativ kurzer
Versetzungen (10 mm) des Döppers 5 (1)
ist, ist auch ein Schwebemeisseln möglich. Zudem erfolgt
in jeder Bewegungsperiode ein Anlegen 36, indem der Läufer 3 (1) über einen
Anlageschritt 23 (9) an das
hintere Anlegeelement 11a (1) angenähert
und dort temporär elektromagnetisch festgehalten, wodurch
das mechanische Anlegen 36 zugleich ein hinterer Wendepunkt
W (1) der Bewegung ist.
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Nach 6 sind
in einem weiteren Betriebszustand 17b (3)
als dem des stabilen Schlagbetriebes in Form des Leerschlagbetriebs,
bei dem auf Grund des weit nach vom versetzten Werkzeugs 7 (1)
der Schlagkolben 5 (1) weit
nach vom versetzt (nicht dargestellt) und die Belüftungsöffnung 32 (1)
offen ist, die Läuferposition xL(t), die Schlagkolbenposition
xS(t), der Luftfederdruck p(t) und die Motorkraft F(t) geeignet
skaliert über der Zeit t dargestellt. Innerhalb der Bewegungsperiode
T erfolgt nach dem Vorschub 34 zusätzlich ein
Verzögerungsschritt 18, bei dem der sich zum Schlagkolben 5 (1)
hin bewegende Läufer 3 (1) elektromagnetisch
verzögert wird.
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Nach 7 geht
dem Verzögerungsschritt 18 im Algorithmus ein
Berechnungsschritt 22 voraus, der mit dem Rechenmittel 9 (1)
aus sensorisch erfassten Daten des kinematischen Istbewegungszustands
I((x(t), v(t), a(t))) des Läufers 3 (1)
einen Verzögerungszeitpunkt tV berechnet, an dem der Verzögerungsschritt 18 einsetzt.
Der berechnete Verzögerungszeitpunkt tV stellt sicher,
dass der Läufer 3 (1) kurz
vor bzw. an einem vorgegebenen vorderen Wendepunkt W (1)
wendet. Dabei greift das Rechenmittel 9 (1)
auf im Speicher abgelegte Messdatenarray 20' (8)
des Verzögerungsvorgangs zurück und interpoliert
diese. Der Übergang des Betriebszustands 17a (3)
des stabilen Schlagbetriebes in den weiteren Betriebszustand 17b (3)
in Form des Leerschlagbetriebs und umgekehrt wird vom Rechenmittel 9 (1)
selbständig gewählt, wenn eine der nachfolgenden
Leerschlagbedingungen vorliegt und entsprechend umgekehrt der Übergang
des Betriebszustand 17b (3) des Leerschlagbetriebs
in den Betriebszustand 17a (3) in Form
des stabilen Schlagbetriebes wenn keine davon vorliegt.
- – Der Läufer 3 (1) überschreitet
bei gegebenem Ort x(t) bzw. Zeit t eine kritische Geschwindigkeit
v(t).
- – Der Schlagkolben 5 (1) überschreitet
absolut oder bei gegebener Zeit t einen kritischen Weg x(t)
- – Der Läufer 3 (1) überschreitet
absolut oder bei gegebener Zeit t einen kritischen Weg x(t).
- – Die Luftfeder 4 (1) unterschreitet
bei gegebener Zeit t einen kritischen Druck p(t).
- – Der Linearmotor 2 (1) unterschreitet
bei gegebener Zeit t eine kritische eingespeiste Energie E(t), welche
aus der Spannung u(t) und der Stromstärke i(t) durch die
Erregerspulen 10 sowie der Motorkraft F(t) und der Geschwindigkeit
v(t) des Läufers 3 (1) vom Rechenmittel 9 (1) durch
numerische Integration der Summe der Produktterme u(t)i(t) und F(t)v(t) über
eine Periodendauer T (6), d. h. bspw. 0,02 s, berechnet wird.
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Nach 8 enthält
das im Speicher des Rechenmittels 9 (1)
abgelegte Messdatenarray 20' des Verzögerungsvorgangs
als Eingangsvariablen die sensorisch erfasste Läuferposition
x(t) und die Läufergeschwindigkeit v(t) sowie als Ausgangswert die
berechnete Position xW des vorderen Wendepunktes W (1).
Die deutlich erkennbare Welligkeit resultiert in der Polteilung
P (4) des Läufers 3 (1).
Das Platau stellt die Position des vorderen Anlegeelements 11b (1)
dar, knapp vor dem durch Verzögerung der Wendepunkt W (1)
erzwungen werden soll.
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Nach 9 weist
der Anlageschritt 23, 23' einen Bremsschritt 24 mit
die Bewegung des Läufers 3 (1)
verzögernder Motorkraft F(t) auf, bei dem der Läufer 3 (1)
sacht an das Anlegeelement 11a, 11b (1)
angenährt wird. Der Anlageschritt 23, 23' weist
zudem einen zeitlich späteren Halteschritt 25 mit
die Bewegung beschleunigender Motorkraft F(t) auf, bei dem der Läufer 3 (1)
dort temporar festgehalten wird. Dabei geht dem Bremsschritt 24 ein
Berechnungsschritt 22' voraus, der aus sensorisch erfassten
Daten des kinematischen Istbewegungszustands (x(t), v(t), a(t))
des Läufers 3 (1) mit dem
Rechenmittel 9 (1) einen Bremszeitpunkt tB berechnet,
an dem der Bremsschritt 24 einsetzt. Dabei greift das Rechenmittel 9 (1)
auf das im Speicher abgelegte Messdatenarray 20'' (analog 8)
des Bremsvorgangs zurück und interpoliert dieses. Dabei
werden als Variable des Berechnungsschritts 24 die Geschwindigkeit
v(t) und die Position x(t) des kinematischen Istbewegungszustands
I((x(t), v(t), a(t))) des Läufers 3 (1)
sensorisch erfasst, indem zwei axial versetzten Sensoren 8 (1)
in Form des axialen Sensorarrays den Passagezeitpunkt des Läufers 3 (1)
erfassen. Dabei geht dem Halteschritt 25 ein Triggerschritt 26 voraus,
der aus sensorisch erfassten Daten des kinematischen Istbewegungszustands
(x(t), v(t), a(t)) des Läufers 3 (1)
mit dem Rechenmittel 9 (1) eine
Triggerbedingung B für den Haltezeitpunkt tH berechnet,
an dem der Halteschritt 25 einsetzt. Dabei werden als Variable
des Triggerschritts 26 eine Geschwindigkeit v(t) und/oder
eine Position x(t) des kinematischen Istbewegungszustands (x(t),
v(t), a(t)) des Läufers 3 (1) sensorisch
erfasst und mit einer Geschwindigkeitsschranke und/oder einer Positionsschranke verglichen
werden. Dazu erfasst das axiale Sensorarray 8 (1)
mit einem nahe an der Anlegeelement 11a, 11b (1)
positionierten Sensor den Passagezeitpunkt des Läufers 3 (1).
Zudem beinhaltet der Bremsschritt 24, 24' einen
Kraftregelkreis 27 zur Regelung der für eine gleichförmige
sanfte Annäherungsgeschwindigkeit v(t) an das Anlegeelement 11a, 11b (1)
erforderlichen Motorkraft F(t). Dazu erfasst das axiale Sensorarray
mit einer Vielzahl von nahe an dem Anlegeelement 11a, 11b (1)
positionierten Sensoren 8 (1) eine
Vielzahl von Passagezeitpunkten des Läufers 3 (1).
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Nach 10 sind
beim Übergang des Ruhebetriebs 17c (3)
zum stabilen Schlagbetrieb 17a (3) die Läuferposition
xL(t), die Schlagkolbenposition xS(t), der Luftfederdruck p(t) und
die Motorkraft F(t) geeignet skaliert über der Zeit t dargestellt,
wobei nach einem Ausrastschritt 37 zur Ausrastung des Läufers 3 (1)
aus dem Einrastmittel 15 (1) in einem
Ansaugschritt 38 zum Ansaugen des sich gerade nicht mehr
in der vorderen Schlagposition befindlichen Schlagkolbens 5 (1)
innerhalb der ersten Bewegungsperiode ein Anlageschritt 39 des
Läufers 3 (1) an das
vordere Anlegeelement 11b (1) erfolgt,
an den sich für eine Abblaszeit tA, die sieben Periodendauern
T des stabilen Schlagbetriebes 17a (3) umfasst,
ein Halteschritt 25 anschliesst.
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Nach 11 erfolgt
beim über den (vom Nutzer betätigten) Handschalter 40 (1)
gesteuerten Übergang zum Ruhebetrieb 17c (4)
ein Anlageschritt 23 an das hintere Anlegeelement 11a (1), an
den sich ein Einrastschritt 41 anschliesst, der den Läufer 3 (1)
an dem hinteren Anlegeelement 11a (1) mechanisch
einrastet. Irgendwann später wird beim über den
(vom Nutzer betätigten) Handschalter 40 (1)
gesteuerten Übergang vom Ruhebetrieb 17c (3)
zum stabilen Schlagbetrieb 17a (3) oder
Leerschlagbetrieb 17b (3) zuerst
ein Ausrastschritt 42 ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - GB 1396812 [0003]
- - US 4553074 [0003]
- - EP 1472050 [0004]
- - WO 2007000344 [0004]
- - EP 0718075 [0005]
- - DE 102005017483 [0005]