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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine
umfassend ein Gehäuse mit einem Griffbereich, einen Werkzeugbereich
für ein linear und/oder rotativ oszillierend antreibbares
Werkzeug, ein gehäuseseitiges Bedienteil zur benutzerseitigen
Aktivierung des Werkzeugs und/oder der Elektrowerkzeugmaschine,
eine im Gehäuse angeordnete Antriebseinheit zur Erzeugung einer
Arbeitsbewegung des Werkzeugs, eine im Gehäuse angeordnete
Elektronikeinheit zum Beaufschlagen der Antriebseinheit mit der
benötigten Bearbeitungsleistung bestehend aus wenigstens
Steuer- und/oder Regelsignalen, eine Betriebsspannungseinheit zur
Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung an die Elektronikeinheit,
wobei die Antriebseinheit wenigstens einen Anregungsakter mit einem
Volumen anregungsaktiven Materials umfasst, welcher im Betrieb von
der Betriebsspannungseinheit elektrisch versorgt ist, von der Elektronikeinheit gesteuert
oder geregelt ist.
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Handgehaltene
Elektrowerkzeugmaschinen zeichnen sich dadurch aus, dass diese tragbar
sind und von einem Bediener im Betrieb in der Hand gehalten und
geführt werden. Sie können kabellos über Batteriepacks
oder mit Netzstrom betrieben werden. Insbesondere bestehen diese
in der Regel aus nur einem Gehäuse, welches vollständig
vom Benutzer gehalten wird.
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In
der
EP 1598171 B1 wird
ein mechanischer Aufbau eines Schweißkopfes einer tragbaren Schweißpistole
beschrieben, bei der ein Ultraschallaktor den Schweißkopf
mit mechanischer Leistung beaufschlagt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine,
umfassend ein Gehäuse mit einem Griffbereich, einen Werkzeugbereich
für ein linear und/oder rotativ oszillierend antreibbares
Werkzeug, ein gehäuseseitiges Bedienteil zur benutzerseitigen
Aktivierung des Werkzeugs und/oder der Elektrowerkzeugmaschine,
eine im Gehäuse angeordnete Antriebseinheit zur Erzeugung einer
Arbeitsbewegung des Werkzeugs, eine im Gehäuse angeordnete
Elektronikeinheit zum Beaufschlagen der Antriebseinheit mit der
benötigten Bearbeitungsleistung bestehend aus wenigstens
Steuer- und/oder Regelsignalen, eine Betriebsspannungseinheit zur
Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung an die Elektronikeinheit,
wobei die Antriebseinheit wenigstens einen Anregungsaktor mit einem
Volumen anregungsaktiven Materials umfasst, welcher im Betrieb von
der Betriebsspannungseinheit elektrisch versorgt ist, von der Elektronikeinheit gesteuert
oder geregelt ist.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Elektronikeinheit ausgebildet ist,
um den wenigstens einen Anregungsaktor in einer Resonanzfrequenz
zu betreiben.
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Wird
der Anregungsaktor mit seiner Resonanzfrequenz betrieben, so kann
bei ausreichend hoher Güte des Schwingsystems entsprechend
einer elektrischen Eingangsleistung eine hohe mechanische Ausgangsleistung
abgegeben werden. Der Anregungsaktor kann ein Ultraschallanregungsaktor sein,
insbesondere ein Piezoaktor in Bauweise eines Langevin-Schwingers.
Der Piezoaktor weist als anregungsaktives Material piezoelektrisches
Material auf. Typischerweise liegt die Güte des ungedämpften Schwingsystems
bei Werten über 100 typischerweise über 500. Das
Resonanzsystem des Anregungsaktors, das die Resonanzfrequenz aufweist,
umfasst den Langevin-Schwinger mit piezoelektrisch aktivem Material
und an den Schwinger angekoppelte Komponenten, insbesondere Komponenten,
die den Ultraschall verstärken und/oder zu einem Bearbeitungsort übertragen.
Solche Komponenten sind z. B. als Booster oder Sonotrode bekannt.
Dies ermöglicht eine Baugrößenreduktion
und die Bereitstellung eines kompakten Geräts. Vorteilhaft
wird damit eine kompakte Elektrowerkzeugmaschine hoher Leistungsfähigkeit
geschaffen, die gleichzeitig handlich ist.
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Es
können auch mehrere Anregungsaktoren, z. B. mit gleicher
oder auch mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz, als Antriebskomponente
vorgesehen sein. Alternativ können auch eine oder mehrere weitere
Antriebskomponenten, etwa ein Elektromotor, vorgesehen sein. Die
verschiedenen Antriebskomponenten können alternativ oder
in Kombination betrieben werden. Wird der wenigstens eine Anregungsaktor
in Resonanz betrieben, ist die Leistungsausbeute besonders hoch,
so dass bei gegebener Ausgangsleistung der Elektrowerkzeugmaschine
die Bauweise besonders kompakt sein kann, was der komfortablen Handhabung
der handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine dient. Die vorgeschlagene Elektrowerkzeugmaschine
ist ein einteiliges Gerät, bei dem auf störende
Verbindungskabel zwischen separaten Gehäuseteilen verzichtet
werden kann. Die Elektrowerkzeugmaschine kann schnurlos mit Batterien
oder Akkus betreibbar sein oder auch – zusätzlich
oder alternativ – mit Netzstrom über ein Netzkabel
betreibbar sein. Das Werkzeug kann ein Einsatzwerkzeug sein, das
lösbar mit dem Anregungsaktor verbunden ist, oder es kann
mit dem Anregungsaktor fest verbunden sein. Die Verbindung kann
z. B. stoffschlüssig oder kraftschlüssig sein.
Die Elektrowerkzeugmaschine ist insbesondere eine Bearbeitungsmaschine,
mit der Gegenstände oder Oberflächen bearbeitet
oder verändert werden, wie etwa Bohrer, Bohrhämmer,
Schneidwerkzeuge, Schleifmaschinen, Fräsen, Sägen,
Schweißgeräte und dergleichen.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Elektronikeinheit
eine Regeleinheit mit Frequenzanpassung zur Nachführung
der Resonanzfrequenz des wenigstens einen Anregungsaktors umfassen.
Vorteilhaft kann im Betrieb der Elektrowerkzeugmaschine die Resonanzfrequenz
kontinuierlich angepasst werden, wenn sich etwa wegen Temperaturänderung,
Wechsel des an den Anregungsaktor angekoppelten Werkzeugs oder bei
Belastung des Werkzeugs die Resonanzfrequenz des Anregungsaktors ändert.
Damit wird im Betrieb stets eine optimale Leistungsausbeute ermöglicht. Vorteilhaft
kann die Elektronikeinheit eine Phasenregelkette umfassen, mit der
die Resonanzfrequenz mit hoher Genauigkeit angeregt werden kann.
So kann eine Phasenverschiebung zwischen elektrischem Strom und
elektrischer Spannung, welche dem piezoelektrisch aktiven Material
zur Anregung der Ultraschallschwingungen zugeführt werden,
auf einen festen Wert, insbesondere 0° Phasendifferenz
zwischen dem Strom- und Spannungssignal, eingestellt und gehalten
werden, womit eine optimale Leistungsausbeute erreicht werden kann.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann das Volumen
des piezoelektrisch aktiven Materials mindestens 0,2 cm3,
vorzugsweise 0,5 cm3, insbesondere mindestens
1 cm3, betragen. Vorteilhaft kann eine ausreichende
Ultraschallleistung bei kleiner Baugröße des Anregungsaktors
erreicht werden.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann der wenigstens
eine Anregungsaktor eine Leistungsdichte von mindestens 5 Watt/cm3, vorzugsweise von mindestens 20 Watt/cm3, bezogen auf das Volumen des piezoelektrisch
aktiven Materials des wenigsten einen Anregungsaktors aufweisen. Eine
entsprechend hohe Leistungsdichte ist vorteilhaft für eine
handgehaltene kompakte Elektrowerkzeugmaschine mit möglichst
kleinen Abmessungen und geringen Herstellkosten.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung kann der wenigstens eine Anregungsaktor
an der Werkzeugspitze eine Schwingamplitude von mindestens 3 μm,
vorzugsweise mindestens 8 μm, insbesondere mindestens 12 μm
aufweisen. Eine entsprechend hohe Schwingamplitude ist vorteilhaft
für eine gute Leistungsübertragung auf das Werkstück
und damit für einen hohen Arbeitsfortschritt durch die
Elektrowerkzeugmaschine.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eingangsseitig
der Elektronikeinheit eine elektrische Leistung zur Beaufschlagung
des wenigstens einen Anregungsaktors mindestens 20 Watt betragen.
Vorteilhaft kann damit eine ausreichende Leistung für eine
Elektrowerkzeugmaschine sichergestellt werden. Übliche
Leistungen liegen im Heimwerkerbereich, für kleine Schneidsysteme
etwa zwischen 20 Watt und 250 Watt, vorzugsweise 50 Watt bis 150
Watt. Für leistungsstärkere Anwendungen, z. B.
Bohren, werden Leistungen ab 50 W bis 1000 W, vorzugsweise 200 Watt
bis 500 Watt benötigt. Im professionellen Handwerkerbereich
liegt der Leistungsbedarf für kleine Systeme etwa zwischen 50
und 400 Watt, vorzugsweise 100 bis 250 Watt. Bei großen
Systemen werden Leistungen von 200 W bis 2000 Watt, vorzugsweise
400 Watt bis 1000 Watt eingesetzt. Trotzdem kann eine Elektrowerkzeugmaschine
mit handlichen Abmessungen geschaffen werden, die zum einen von
der Hand des Bearbeiters umfasst oder gehalten werden kann und zum
anderen ausreichend Leistung zur Bearbeitung bereitstellt.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eine maximale
elektrische Anregungsfeldstärke des wenigstens einen Anregungsaktors
im Bereich unterhalb von 300 V/mm liegen (bezogen auf die Dicke,
insbesondere Scheibendicke, des piezoelektrisch aktiven Materials),
vorzugsweise im Bereich zwischen 50 V/mm und 220 V/mm. Bei einer
Scheibendicke des Anregungsaktors von typischerweise 1 mm bis 10
mm, vorzugsweise 2 mm bis 6 mm, insbesondere um 5 mm liegen die
elektrischen Spannungen bei unter 1000 Volt. Dies ermöglicht
vorteilhaft einen Einsatz des Anregungsaktors in der handgehaltenen
Elektrowerkzeugmaschine mit ausreichender mechanischer Ausgangsleistung
bei vorteilhaft kleinen Abmessungen.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eine elektrische
Ausgangsspannung der Betriebsspannungseinheit bei Versorgung mit Elektrochemischen
Speichern innerhalb von 3 Volt bis 100 Volt DC liegen vorzugsweise
im Bereich von 3,5 V bis 40 V, insbesondere bei 36 Volt, 24 Volt,
18 Volt, 14,4 Volt, 12 Volt, 10,6 Volt, 7,2 Volt und 3,6 Volt. Vorteilhaft
können Batteriepacks oder nachladbare Akkupacks eingesetzt
werden, die klein und leicht genug sind, um eine gute Handhabbarkeit
der Elektrowerkzeugmaschine bei hoher Ausgangsleistung noch zu gewährleisten.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann ein Gleichspannungsanteil
der elektrischen Ausgangsspannung der Betriebsspannungseinheit bei
Versorgung mit Netzspannung innerhalb 0,5 UNetz (Effektivwert
der Netzspannung) bis 2 UNetz liegen. Vorzugsweise
z. B. unter Verwendung eines Brückengleichrichters mit
Glättungskondensator bei 1,4 UNetz.
In einer weiteren Ausführung kann die Netzspannung mittels
eines eingangsseitigen Transformators auf eine für die
Betriebsspannungseinheit geeignete Spannung gewandelt werden.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Betriebsfrequenz
des wenigstens einen Anregungsaktors im Bereich zwischen 10 kHz und
1000 kHz, vorzugsweise zwischen 30 kHz und 50 kHz, insbesondere
zwischen 35 kHz und 45 kHz, besonders bevorzugt um 40 kHz, liegen.
Mit steigender Frequenz sinkt die Baugröße der
Komponenten und steigt die mechanische Belastung des Schwingsystems,
wobei sich im ausgewählten Frequenzbereich vorteilhafte
Grö ßenverhältnisse bei hoher Ausgangsleistung
und günstigem Gewicht der Elektrowerkzeugmaschine ergeben.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Betriebsspannungseinheit
einen elektrochemischen Speicher umfassen, vorzugsweise einen wiederaufladbaren
elektrochemischen Speicher. Die Betriebsspannungseinheit hat einen
nur geringen Platzbedarf, was für die Kompaktheit und das Gewicht
der Elektrowerkzeugmaschine vorteilhaft ist. Günstig sind
Systeme auf der Basis von z. B. Lithium-Ionen (Li-Ion) oder auch
Nickel-Metallhydrid (NiMeH), Nickel-Cadmium (NiCd) oder auch Blei
und dergleichen. Diese können fest im Gehäuse
integriert sein und über einen Ladeanschluss nachgeladen werden.
Alternativ kann die Betriebsspannungseinheit als Wechselsystem ausgebildet
sein, mit austauschbaren elektrochemischen Speichern, die gegebenenfalls
auch extern wiederaufladbar sein können, und die in eine
dafür vorgesehene Aufnahme im oder am Gehäuse
eingesteckt werden können. Die Nennspannung der Betriebsspannungseinheit
kann je nach Leistungsanforderung z. B. zwischen 3 Volt dc und 48
Volt dc liegen, z. B. bei 12 Volt dc.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Betriebsspannungseinheit
eine AC/DC-Wandlungseinheit umfassen. In diesem Fall kann auch ein
Netzanschluss für die Elektrowerkzeugmaschine vorgesehen
sein, und in der Betriebsspannungseinheit kann die Gleichrichtung
und Glättung der Netzspannung erfolgen. Zwar benötigt
die Aufbereitung der Netzspannung mehr Platz als ein Energiespeicher,
der weitere platzsparende und kompakte Aufbau in einem einzigen
Gehäuse ermöglicht jedoch weiterhin eine vereinfachte
Bedienung und Handhabung der Elektrowerkzeugmaschine.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Elektronikeinheit
auf einer Platine konzentriert sein. Dies ermöglicht eine
besonders platzsparende Anordnung im Gehäuse. Die elektronische
Ansteuerung des Anregungsaktors ist besonders kompakt.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann zur Signalfilterung
und zur induktiven Kompensation des wenigstens einen Anregungsaktors
wenigstens eine Induktivität in einem Leistungskreis der
Elektronikeinheit, der den wenigstens einen Anregungsaktor mit elektrischer
Leistung beaufschlagt, vorgesehen sein. Es kann ein platzsparender
Aufbau der Leistungsinduktivitäten in einem einzigen Spulenkern
realisiert werden. Die bei Anregungsaktoren günstige Signalfilterung
und induktive Kompensation des Piezoaktors kann direkt über
eine gezielt eingestellte Streuinduktivität eines sowieso benötigten Übertragungstransformators
bereitgestellt bzw. durch eine auf demselben Spulenkern gewickelte
Induktivität gegeben werden. Ein zusätzlicher
Spulenkern mit einer weiteren Induktivität im Leistungskreis
kann dadurch entfallen.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann wenigstens Antriebseinheit,
Elektronikeinheit und Betriebsspannungseinheit so im Gehäuse
verteilt sein, dass ein Masseschwerpunkt im Bereich des Griffteils
liegt. Der Bediener kann die Elektrowerkzeugmaschine sicher und
bequem handhaben. Die Sicherheit und der Bedienkomfort werden erhöht.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Antriebseinheit
neben dem wenigstens einen Anregungsaktor mindestens eine weitere
Antriebskomponente umfassen. Vorteilhaft kann der Arbeitsbewegung
eines durch die mindestens eine weitere Antriebskomponente angetriebenen Werkzeugs
eine durch den wenigstens einen Anregungsaktor Bewegung überlagert
werden, wodurch der Arbeitsfortschritt erheblich verbessert und
die Bearbeitung erleichtert werden kann.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann der wenigstens
eine Anregungsaktor einen Hauptenergieverbraucher der Elektrowerkzeugmaschine
bilden, für den vorzugsweise mindestens 50% elektrische
Eingangsleistung vorgesehen sein können. In einer günstigen
Weiterbildung kann für den Anregungsaktor mindestens 75%,
vorzugsweise mindestens 80% der elektrischen Eingangsleistung vorgesehen
sein. Der Arbeitsfortschritt der Elektrowerkzeugmaschine beim Einsatz
von Ultraschall ist besonders groß, so dass ein weiterer
Energieverbraucher, insbesondere eine weitere Antriebskomponente,
wie etwa ein Bohrer, ein Meisel, ein Messer oder dergleichen, kleiner
ausgelegt werden kann. Damit kann auch der Antrieb und die zugehörigen
Elektronikkomponenten und die Energieversorgung kleiner ausfallen,
was wiederum einen verbesserten Bedienkomfort und eine verbesserte
Handhabung der handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine erlaubt.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eine oder mehrere
Betriebsanzeigen für einen aktivierten Zustand des wenigstens
einen Anregungsaktors vorgesehen sein. Die Anzeige kann dabei optisch
und/oder akustisch und/oder haptisch erfolgen. Die Betriebssicherheit
der Elektrowerkzeugmaschine wird erhöht, da klar erkennbar
ist, wenn der Anregungsaktor aktiviert ist und mechanische Leistung
abgeben kann.
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Gemäß einer
günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Antriebseinheit,
welche dem Werkzeug eine Arbeitsbewegung aufprägt, dem Werkzeug Überlagerungsschwingungen
aufprägen. Die Antriebseinheit kann als weitere Antriebskomponente
beispielsweise einen elektrischen Antriebsmotor aufweisen, der in
dem Gehäuse der Elektrowerkzeugmaschine aufgenommen ist.
Die Motorwelle ist in der Regel über eine Getriebeeinheit
mit einer Werkzeugwelle gekoppelt, die Träger des Werkzeuges
ist und die Arbeitsbewegung ausführt. Das Werkzeug ist üblicherweise
auswechselbar auf der Werkzeugwelle zu befestigen.
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Die
Elektrowerkzeugmaschine kann z. B. zur spanenden Bearbeitung von
Werkstücken eingesetzt werden, wobei zur Verringerung der
Spangröße vorteilhaft der Anregungsaktor in der
Elektrowerkzeugmaschine angeordnet ist, welcher Überlagerungsschwingungen
im Werkzeug erzeugen kann. Diese Überlagerungsschwingungen
sind der Arbeitsbewegung des Werkzeugs überlagert.
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Die Überlagerungsschwingungen,
welche nicht von dem Antriebsmotor, sondern von dem Anregungsaktor
ausgehen, können je nach Art der Elektrowerkzeugmaschine
sowie in Abhängigkeit des verwendeten Werkzeuges und des
zu bearbeitenden Werkstückmaterials mit einer Frequenz
erzeugt werden, die zu einer signifikanten Verringerung der Spangröße
führt. Da kleinere Späne auch eine kleinere Wärmekapazität
aufweisen, können sich die Späne in einem kürzeren
Zeitraum abkühlen, wodurch die Brandgefahr reduziert ist.
Außerdem führen die kleineren Späne an
sich zu einer reduzierten Verletzungsgefahr, da der von ihnen ausgehende
Impuls geringer ist.
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Die
Frequenz der Überlagerungsschwingungen liegt zweckmäßigerweise
im Ultraschallbereich und kann somit beispielsweise zumindest 20
kHz betragen. Diese verhältnismäßig hohe
Frequenz hat zum einen den Vorteil, dass Schwingungen in dieser Größenordnung
nicht mehr für den Menschen zu hören sind, so
dass keine Lärmbeläs tigung entsteht. Zum andern
hat es sich gezeigt, dass Schwingungen ab dieser Größenordnung
besonders wirksam sind, um die Größe der Späne,
die bei der Bearbeitung eines Werkstückes entstehen, signifikant
zu reduzieren.
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Es
kann zweckmäßig sein, Überlagerungsschwingungen
zu erzeugen, die in noch erheblich größeren Größenordnungen
liegen. Grundsätzlich kommen Schwingungen bis hin in den
Megahertzbereich in Betracht. Außerdem ist es auch möglich, Überlagerungsschwingungen
mit niedrigerer Frequenz zu generieren.
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Auf
Grund der Überlagerung zu der Arbeitsbewegung des Werkzeugs
einerseits sowie der in der Regel deutlich höheren Frequenz
bleibt das Erzeugen der Überlagerungsschwingungen ohne
Einfluss auf die Arbeitsbewegung und damit auf das Ergebnis der
Werkstückbearbeitung. Zudem weisen die Überlagerungsschwingungen üblicherweise
nur eine sehr geringe Amplitude auf, so dass die Bearbeitung des Werkstückes
nicht beeinträchtigt ist.
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Die
vorteilhafte Generierung von Überlagerungsschwingungen
im Werkzeug kann sowohl bei rotatorischen als auch bei translatorischen
bzw. gemischt rotatorischtranslatorischen Arbeitsbewegungen des
Werkzeugs eingesetzt werden. Gemäß einer günstigen
Ausführung ist die Elektrowerkzeugmaschine als Schleifgerät,
beispielsweise als Winkelschleifer ausgebildet, die als Werkzeug
eine an einer Werkzeugwelle gelagerte Schleifscheibe aufweist, wobei
in diesem Fall die Werkzeugbewegung eine ausschließliche
Rotationsbewegung ist. In Betracht kommen aber auch translatorische
Bewegungen, beispielsweise bei Hubsägen, die eine oszillierende Hubbewegung
ausführen.
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Die Überlagerungsschwingungen
können gemäß einer vorteilhaften Ausführung
orthogonal zur Bewegungsebene des Werkzeugs angeregt werden, in
der die Arbeitsbewegung stattfindet. Beispielsweise können
bei Schleifscheiben die Überlagerungsschwingungen in Richtung
der die Schleifscheibe tragenden Werkzeugwelle aufgebracht werden.
Bei einer translatorischen Arbeitsbewegung erfolgt dagegen die Überlagerungsschwingung
senkrecht zur Translationsbewegung.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausführung ist
es aber auch möglich, dass die Überlagerungsschwingungen
das Werkzeug in der Bewegungsebene anregen. Im Fal le einer Schleifscheibe bedeutet
dies, dass die Schleifscheibe senkrecht zur Werkzeugwelle angeregt
wird, so dass der Vektor der Anregung in der Bewegungsebene der
Schleifscheibe liegt.
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Des
Weiteren kann es zweckmäßig sein, die von dem
Anregungsaktor ausgehenden Überlagerungsschwingungen auf
ein Lager des Werkzeugs wirken zu lassen, wobei die Schwingungen
sich über das Lager auch auf das Werkzeug ausbreiten. Im Falle
von mehreren Lagern erfolgt dies vorzugsweise über das
werkzeugnahe Lager, um eine Belastung der Getriebeeinheit sowie
des Antriebsmotors durch die Überlagerungsschwingungen
zu vermeiden.
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Als
Anregungsaktor können verschieden ausgeführte,
aktive Stellglieder eingesetzt werden, die durch Zufuhr von Energie
zur Schwingungserzeugung angeregt werden können. Gemäß einer
vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass der Anregungsaktor
als Langevin-Schwinger mit eingespannten Piezoelementen ausgebildet
ist, das durch Anlegen einer Spannung seine Ausdehnung ändert. Durch
eine entsprechend hochfrequente Spannungsbeaufschlagung kann sich
das Piezoelement in der gewünschten Frequenz der Überlagerungsschwingungen
ausdehnen und zusammenziehen, wobei der Anregungsaktor mit einem
Bauteil in der Kraftübertragungskette zwischen Antriebseinheit
bzw. Antriebsmotor und Werkzeug gekoppelt ist, so dass sich die
Schwingungen des Anregungsaktors bis in das Werkzeug ausbreiten
können. Wie bereits zuvor beschrieben, erfolgt die Anregung
vorzugsweise über ein Lager der Werkzeugwelle, die das
Werkzeug trägt. Gemäß einer weiteren
Ausführung ist vorgesehen, dass der Anregungsaktor als
magnetorestriktiver Anregungsaktor ausgebildet ist, was sich insbesondere
zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen eignet.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Die Zeichnung, 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.
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Es
zeigen beispielhaft:
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine
in einer Ausgestaltung als Schneidgerät;
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine
in einer Ausgestaltung als Bohrgerät;
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3a, 3b eine
Prinzipskizze einer Ansteuerung mit einer Wechselspannungsversorgung mit
Netzstrom oder einer Gleichspannungsversorgung mit einem Batteriepack
(3a) und eine günstige Taktung zur Verminderung
der Baugröße einer Filtereinheit (3b);
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4 einen
Verlauf einer Ultraschallamplitude entlang einer Sonotrode;
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5 eine
Impedanzkennlinie zum Nachweis einer Resonanzfrequenz eines Anregungsaktors;
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6 ein
Ersatzschaltbild eines idealen Transformators;
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7 eine
als Winkelschleifer ausgebildete elektrische Elektrowerkzeugmaschine
im Schnitt;
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8 in
Einzeldarstellung die auf einer Werkzeugwelle angeordnete Schleifscheibe
des Winkelschleifers aus 7, wobei die Werkzeugwelle in
Lagern aufgenommen ist und das werkzeugnahe Lager von einem Anregungsaktor
quer zur Wellenachse mit hochfrequenten Schwingungen beaufschlagt
ist;
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9 die
Schleifscheibe aus 8 mit Lager und Anregungsaktor
in einer Draufsicht; und
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10 ein
weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Anregungsaktor
die die Schleifscheibe tragende Werkzeugwelle in Achslängsrichtung
mit hochfrequenten Schwingungen beaufschlagt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen
Bezugszeichen beziffert.
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Zur
Erläuterung der Erfindung zeigen die 1 und 2 verschiedene
Beispiele von handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschinen 10. 1 zeigt
ein Schneidgerät mit langgestreckter Gehäuseform; 2 zeigt
ein Bohrgerät mit T-förmiger Gehäuseform.
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Die
handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine 10 umfasst ein Gehäuse 20 mit
einem Griffbereich 40. Ein Bediener hält die Elektrowerkzeugmaschine 10 an
dem Griffbereich 40 und kann die Elektrowerkzeugmaschine 10 führen.
Der Griffbereich 40 kann gegebenenfalls mit einem nicht
dargestellten Dämpfungselement gegenüber andern
Gehäusebereichen entkoppelt sein. Die Elektrowerkzeugmaschine 10 umfasst
ferner einen Werkzeugbereich 50 für ein linear
und/oder oszillierend antreibbares Werkzeug 60, etwa ein
Messer (1) oder einen Bohrer (2)
oder ein anderes Werkzeug entsprechend einem anderen Gerätetyp.
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Ein
gehäuseseitiges Bedienteil 30 dient zur benutzerseitigen
Aktivierung des Werkzeugs 60 und/oder der Elektrowerkzeugmaschine 10.
Das Bedienteil 30 kann z. B. ein Schalter oder ein Regler sein
oder auch mehrere Bedienelemente umfassen, von denen z. B. eines
zum Einschalten der Elektrowerkzeugmaschine 10 und eines
zum Einschalten und/oder Regeln des Werkzeugs 60 vorgesehen
sein kann.
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Im
Gehäuse 20 ist eine Antriebseinheit 80 angeordnet,
die in den Beispielen gemäß 1 und 2 nur
eine Antriebskomponente umfasst, die durch einen Anregungsaktor 100 gebildet
ist. Dieser kann als Piezo-angeregter Langevin-Schwinger (auch Piezoaktor
genannt) ausgebildet sein, der ein Volumen piezoelektrisch aktiven
Materials 102 umfasst, z. B. piezokeramische Scheiben,
die zusammengepresst sind und die bei Beaufschlagung mit elektrischer
Spannung eine Längenänderung durchführen.
Bei Beauschlagung mit hochfrequenter elektrischer Spannung wird
in an sich bekannter Weise Ultraschall generiert, der über
einen Koppelelement 106 zu einem Werkzeug 60 geleitet
wird. Das Koppelelement 106 kann eine an sich bekannte
Sonotrode sein. Die Länge und die Form wie auch das Material
des Koppelelements 106 bestimmen eine Resonanzfrequenz
des Anregungsaktors 100. Auch das Werkzeug 60 kann
die Resonanzfrequenz beeinflussen. In den Ausführungsvarianten
in 1 und 2 ist der Anregungsaktor 100 so
ausgeführt, dass Langevin-Schwinger und Koppelelement 106 in
einer Einheit zusammengefasst sind, und deren gesamte Länge
in etwa der halben Wellenlänge λ/2 der Ultraschallschwingung
entspricht. Andere Ausführungsvarianten können
vorsehen, dass der Anregungsaktor 100 zusammengesetzt ist
aus mehreren Komponenten mit der Länge λ/2. Dies
können sein: Schwingungserzeuger, bekannt als Konverter,
im speziellen z. B. ein Langevin-Schwinger, Amplitudentransformationsstücke 104 bekannt
als Booster, ggf. Verlängerungsstücke, sowie dem
Koppelelement 106 bekannt als Sonotrode.
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Eine
im Gehäuse 20 angeordnete Elektronikeinheit 200 dient
zum Beaufschlagen der Antriebseinheit 80 mit wenigstens
Steuer- und/oder Regelsignalen, sowie der Spannungsversorgung des
Anregungsaktors 100. Eine Betriebsspannungseinheit 90, hier
als Batterie- oder Akkupack mit Batterien oder wiederaufladbaren
Akkus 92 ausgebildet, dient zur Bereitstellung einer elektrischen
Gleichspannung für die Elektronikeinheit 90, welche
die Betriebsspannung in ein hochfrequentes Spannungssignal umsetzt,
mit dem der Anregungsaktor 100 in gewünschter
Weise zu Schwingungen angeregt wird.
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Die
Elektronikeinheit 200 ist ausgebildet, um den wenigstens
einen Anregungsaktor 100 in einer Resonanzfrequenz f_res
zu betreiben. Dabei umfasst die Elektronikeinheit 200 eine
Regeleinheit 224 zur Nachführung der Resonanzfrequenz
f_res des Anregungsaktors 100. Die Regeleinheit 224 kann eine
Phasenregelkette umfassen, die den Anregungsaktor 100 in
dessen Resonanzfrequenz anregen kann, wobei eine Phasenverschiebung
zwischen dem eingespeisten Strom und der eingespeisten Spannung
auf 0° eingestellt wird. Vorzugsweise wird die Resonanzfrequenz
f_res nachgeregelt, wenn sich aufgrund von Erwärmung oder
Lastwechsel am Werkzeug die Resonanzfrequenz ändert. Alternativ kann
auch eine Frequenznachführung erfolgen, indem auf ein Maximum
des in den Anregungsaktor 100 eingespeisten Stroms geregelt
wird.
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Ist
der Anregungsaktor 100 ein Piezoaktor, beträgt
das Volumen des piezoelektrisch aktiven Materials 102,
z. B. aufeinandergestapelte piezoelektrische Scheiben, günstigerweise
mindestens 0,2 cm3, vorzugsweise 0,5 cm3, insbesondere mindestens 1 cm3.
Der Anregungsaktor 100 kann eine Leistungsdichte von mindestens
5 Watt/cm3, vorzugsweise von mindestens
20 Watt/cm3, bezogen auf das Volumen des
piezoelektrisch aktiven Materials 102 des Anregungsaktors 100 aufweisen.
Die Leistungsdichte ermöglicht einen Einsatz in einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine 10 mit
ausreichender Leistungsabgabe des Werkzeugs 60.
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Die
Aktivierung des Werkzeugs 60 durch den Aktivierungsaktor 30 kann
mit einem Signalmittel 122 (2) angezeigt
werden.
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In 1 ist
die Elektronikeinheit 200 besonders platzsparend auf einer
einzigen Platine 210 integriert. In 2 ist die
Elektronikeinheit auf zwei Platinen 212, 214 aufgeteilt,
wobei eine im Hauptteil und eine im quer vom Hauptteil abstehenden
Griffteil des T-förmigen Gehäuses 20 angeordnet
ist. Vorteilhaft sind Antriebseinheit 80, Elektronikeinheit 200 und Betriebsspannungseinheit 90 so
im Gehäuse 20 verteilt, dass ein Masseschwerpunkt
im Bereich des Griffteils 40 liegt.
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3a zeigt
eine Prinzipskizze einer Ansteuerung des Anregungsaktors 100,
beispielsweise in Form eines Piezoaktors 100, mit einer
Wechselspannungsversorgung aus einem Versorgungsnetz oder einer
Gleichspannungsversorgung mit einem Batteriepack.
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Bei
Netzversorgung der Elektronikeinheit 200, z. B. mit 220
Volt ac, ist eine Baugruppe 94 vorgesehen, welche die Wechselspannung
gleichrichtet und glättet. Die Elektronikeinheit 200 umfasst
eine Leistungserzeugungseinheit 222, in die die Gleichspannung
eingespeist wird und die über eine entsprechende Filtereinheit 226 an
den Anregungsaktor 100 gekoppelt ist. Eine Regeleinheit 224 stellt
die Regelsignale für den Anregungsaktor 100 bereit.
Die Betriebsfrequenz des Anregungsaktors 100 liegt im Bereich
zwischen 10 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 30 kHz und 50
kHz, insbesondere zwischen 35 kHz und 45 kHz, besonders bevorzugt
um etwa 40 kHz.
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Erfolgt
die Versorgung durch die Betriebsspannungseinheit 90 mittels
Batterien oder Akkus 92, kann der Platzbedarf verringert
werden, da die Baugruppe 94 zur Gleichrichtung und Glättung
entfallen kann. Die elektrische Ausgangsspannung der Betriebsspannungseinheit 90 liegt
vorzugsweise unterhalb von 100 Volt, etwa bei 36 Volt oder 10,8
Volt.
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Bevorzugt
liegt die maximale elektrische Anregungsfeldstärke des
wenigstens einen Anregungsaktors im Bereich unterhalb von 300 V/mm
(bezogen auf die Di cke, insbesondere Scheibendicke, des piezoelektrisch
aktiven Materials), vorzugsweise im Bereich zwischen 50 V/mm und
220 V/mm. Bei einer Scheibendicke des Anregungsaktors 100 von
typischerweise 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 2 mm bis 6 mm, insbesondere
um 5 mm liegen die elektrische Spannungen bei unter 1000 Volt
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In
einer Ausführungsvariante kann die Leistungserzeugungseinheit 222 mittels
4 MOSFET Halbleitern in einer an sich bekannten Vollbrückentopologie
ausgeführt sein. In einerweiteren Variante kann die Erzeugung
des Betriebssignals auch durch eine Halbbrücke (ebenfalls
bekannt) mit z. B. einem Mittelpunktskondensator zur Filterung des
DC Anteils erfolgen.
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3b illustriert
eine Möglichkeit, die Baugröße der Filtereinheit 226 möglichst
klein zu gestalten. Dazu kann die Leistungseinheit 222 von
der Regeleinheit 224 auch so angesteuert werden, dass diese
mittels z. B. einer Sinus-Dreieck-Modulation anstatt einfachen Rechtecksignalen
eine sinusähnlichere Rechteckspannung erzeugt. Je nach
Höhe der Taktung, also der Anzahl der Einzelpulse, die
Zusammen einen Sinus abbilden, kann der Gehalt an unerwünschten
harmonischen Oberfrequenzen deutlich reduziert werden was zu einer
kleineren Auslegung der Filtereinheit 226 führt.
Hierzu ist die Anzahl der Rechteckimpulse pro Periodendauer des
Sinussignals größer als 6, vorzugsweise in einem
Bereich zwischen 6 und 100 insbesondere in einem Bereich zwischen
10 und 26. In einer Ausführungsvariante kann die Anzahl
und Breite der Rechteckimpulse von der Regeleinheit 224 z.
B. bei Laständerungen auch während des Betriebes
verändert werden.
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4.
zeigt einen Verlauf einer Ultraschallamplitude entlang eines als
Piezoaktors ausgebildeten Anregungsaktors 100. Das Koppelelement 106 ist
als Sonotrode ausgebildet. Der an das piezoelektrische Material 102 angrenzende
Bereich des Anregungsaktor 100 wird zusammen mit den Piezoscheiben 102 als
Konverter bezeichnet. Das piezoelektrische Material 102 wird
durch die eingespeiste hochfrequente Wechselspannung zu Schwingungen angeregt,
die über den Konverter in das Koppelelement 102 übertragen
werden. Bei einem wie in 4 gezeigten dreistufigen Aufbau
des Anregungsaktors 100 besteht dieser zusätzlich
aus einem Booster 104 zur Amplitudenanpassung. Entlang
der Längserstreckung M des Anregungsaktors 100 nimmt
im Mittel die Amplitude Amp der angeregten Schwingung zu. Veränderungen
der Resonanzfrequenz f_res des Schwingungssystems des Anregungsaktors 100 (gegebenenfalls
mit angekoppeltem Werkzeug) im Betrieb werden vorzugsweise ausgeglichen,
z. B. mit einer bereits oben erwähnten Phasenregelkette,
mit der die Phasenverschiebung zwischen der zur Anregung des Anregungsaktors 100 in
diesen eingespeisten elektrischen Spannung und dem eingespeisten elektrischen
Strom auf null geregelt wird (Phasen-Null-Regelung), oder mit einer
Maximumregelung des in den Anregungsaktor 100 eingespeisten elektrischen
Strom.
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5 zeigt
eine Impedanzkennlinie eines piezoaktorisch ausgeführten
Anregungsaktors mit den Resonanzfrequenzen f_res und f_res2. Kennlinie
A zeigt einen Verlauf der Impedanz Imp als Funktion der Frequenz
f, die bei der Resonanzfrequenz f_res ein Impedanzminimum und bei
f_res2 ein Impedanzmaximum durchläuft. Die Frequenz f_res
wird als Serienresonanz, f_res2 als Parallelresonanz bezeichnet.
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Kurve
B zeigt den Verlauf der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung,
die bei der Resonanzfrequenz einen Nulldurchgang hat und von –90° unterhalb
der Resonanzfrequenz f_res auf +90° oberhalb der Resonanzfrequenz
f_res ändert. Bei Durchschreiten der Parallelresonanz f_res2 ändert
sich die Phasenverschiebung von +90° unterhalb der Resonanzfrequenz
auf –90° oberhalb der Resonanzfrequenz.
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Zur
Signalfilterung und zur induktiven Kompensation des wenigstens einen
Anregungsaktors 100 kann wenigstens eine Induktivität
in einem Leistungskreis der Elektronikeinheit, der den wenigstens einen
Anregungsaktor 100 mit elektrischer Leistung beaufschlagt,
vorgesehen sein. Es kann ein platzsparender Aufbau der Leistungsinduktivitäten
zusammen mit dem Übertragungstransformator in einem einzigen
Spulenkern realisiert werden. Die bei Anregungsaktoren 100 günstige
Signalfilterung und induktive Kompensation des Piezoaktors kann
direkt über eine gezielt eingestellte Streuinduktivität
eines sowieso benötigten Übertragungstransformators
bereitgestellt bzw. durch eine auf demselben Spulenkern gewickelte
Induktivität gegeben werden. Ein zusätzlicher
Spulenkern mit einer weiteren Induktivität im Leistungskreis
kann dadurch entfallen.
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6 zeigt
hierzu zur Erläuterung ein Ersatzschaltbild mit einem idealen
Transformator. Die Induktivität M dient der eigentlichen Übertragung
von Primärseite zu Sekundär seite. Die Streuinduktivitäten
entstehen, da die Wicklungen nie ideal gekoppelt werden können.
L1 und L2 bilden den Teil des Magnetfelds ab, der nicht von der
Sekundärspule „eingefangen” werden kann.
L1 und L2 sind elektrisch wie eine Luftspule anzusehen.
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Die
in 7 dargestellte als Winkelschleifer dargestellte
Elektrowerkzeugmaschine 10 umfasst ein Gehäuse 20,
welches aus einem Motorgehäuse 22 und einem Griffgehäuse 24 besteht,
wobei zwischen Motorgehäuse 22 und Griffgehäuse 24 ein Dämpfungselement 26 angeordnet
ist. Die Elektrowerkzeugmaschine 10 wird am Griffgehäuse 24 gehalten,
welches den Griffbereich 40 bildet. Im Motorgehäuse 22 ist
eine Antriebseinheit 80 mit einer als elektrischem Antriebsmotor 82 ausgebildeten
Antriebskomponente aufgenommen, die über eine Getriebeeinheit 62 mit
einer Werkzeugwelle 64 gekoppelt ist und diese antreibt.
Die Werkzeugwelle 64 ist Träger eines als Schleifscheibe
ausgebildeten Werkzeugs 60, die austauschbar an der Werkzeugwelle 64 befestigt
ist.
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In 8 ist
die Werkzeugwelle 64 und das daran befestigte, als Schleifscheibe
ausgebildete Werkzeug 60 in Einzeldarstellung gezeigt.
Die Werkzeugwelle 64, die die Längsachse L aufweist,
ist in Lagern 70 und 72 drehbar gelagert, die
zueinander beabstandet im Gehäuse 20 angeordnet
sind. Auf der der Schleifscheibe gegenüberliegenden Stirnseite
befindet sich an der Werkzeugwelle 64 ein Kegelrad 74, über
das die Werkzeugwelle 64 von dem elektrischen Antriebsmotor 82 angetrieben
wird.
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Um
die Größe der Späne zu verringern, die bei
der Bearbeitung eines Werkstücks mit dem als Schleifscheibe
ausgebildeten Werkzeug 60 anfallen, wird das als Schleifscheibe
ausgebildete Werkzeug 60 zusätzlich zu ihrer rotatorischen
Arbeitsbewegung in hochfrequente Schwingungen versetzt. Es handelt sich
hierbei um Überlagerungsschwingungen, die der Arbeitsbewegung
des als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeugs 60 überlagert
werden. Diese Überlagerungsschwingungen werden mithilfe
des Anregungsaktors 100 erzeugt, der als weitere Antriebskomponente
der Antriebseinheit 80 ebenfalls im Gehäuse 10 der
handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine 10 angeordnet ist
und direkt oder indirekt das als Schleifscheibe ausgebildete Werkzeug 60 zu
den Überlagerungsschwingungen anregt. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 8 beaufschlagt der Anregungsaktor 100 das
werkzeugseitige Lager 70 der Werkzeugwelle 64 und
erzeugt Überlagerungsschwingungen, die orthogonal zur Längsachse
L der Werkzeugwelle 64 gerichtet sind. Diese orthogonal zur
Längsachse L gerichteten Überlagerungsschwingungen übertragen
sich über die Werkzeugwelle 64 auch auf das als Schleifscheibe
ausgebildete Werkzeug 60, das ebenfalls orthogonal zur
Längsachse L und damit in ihrer Bewegungsebene Überlagerungsschwingungen
ausübt.
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Grundsätzlich
ist es auch möglich, den Anregungsaktor 100 an
einer anderen Stelle zu positionieren, beispielsweise am werkzeugfernen
Lager 72 oder unmittelbar an einer Position an der Werkzeugwelle 64 oder
an dem als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeug 60, um
dieses direkt mit Überlagerungsschwingungen zu beaufschlagen.
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Als
Anregungsaktor 100 können verschiedene aktive
Stellglieder eingesetzt werden. Bevorzugt werden Stellglieder verwendet.
die hochfrequente Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugen, insbesondere
in einem Frequenzbereich von mindestens 20 kHz, wobei ggf. auch
Frequenzen in höheren Größenordnungen
in Betracht kommen, insbesondere bis in den Megahertzbereich hinein,
oder auch kleinere Frequenzen.
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Als
Anregungsaktor 100 wird beispielhaft ein Piezoelement verwendet.
dessen Länge sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung ändert.
Da Piezoelemente sehr schnell auf Spannungsänderungen reagieren,
kann durch das Anlegen einer hochfrequenten Spannung eine entsprechend
schnelle Längenänderung in dem Anregungsaktor
erzeugt werden, die sich auf das hier beispielhaft als Schleifscheibe
ausgebildete Werkzeug 60 auswirkt.
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Der
Anregungsaktor 100 kann auch als magnetoresistiver Aktor
ausgebildet sein, bei dem durch Anlegen eines äußeren
Magnetfeldes der elektrische Widerstand geändert werden
kann.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 8 und 9 werden
die Überlagerungsschwingungen in Pfeilrichtung 110 orthogonal
zur Längsachse L der Werkzeugwelle 64 bzw. des
als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeugs 60 erzeugt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 10 erfolgt
dagegen die Anregung mit den Überlagerungsschwingungen
gemäß Pfeilrichtung 110 in Richtung der
Längsachse L von Werkzeugwelle 64 und Werkzeug 60 und
damit senkrecht zur Bewegungsebene des als Schleifscheibe ausgebildeten
Werkzeugs 60. Der Anregungsaktor 100, über
den die Überlagerungsschwingungen generiert werden, beaufschlagt
entweder unmittelbar die Werkzeugwelle 64 oder eines bzw.
beide Lager 70 bzw. 72 oder unmittelbar das Werkzeug 60 mit
den Überlagerungsschwingungen in Achsrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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