TW201511900A

TW201511900A - 控制方法與手工具機（二）

Info

Publication number: TW201511900A
Application number: TW103120679A
Authority: TW
Inventors: Klaus Raggl; Christoph Boehm; Dario Bralla
Original assignee: Hilti Ag
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-04-01
Also published as: WO2015007707A1; CN105392599A; EP3022018A1; AU2014292189A1; JP2016525021A; EP2826601A1; US20160144497A1

Abstract

一種手工具機(1)的控制方法，該手工具機(1)有：一電馬達(19)，一電源(29)以供應該電馬達(19)，及一鍵(10)(11)以將該手工具機(1)的一操作功能動作，其中回應於該鍵(10)(11)的動作，電馬達(19)被加速到一標稱轉速(35)，且在加速時，一馬達控制手段(30)將電馬達(19)的功率加收調節到一標稱功率(32)。此外還關於一種手工具機，其用於施加一釘子(2)具有：一可由一使用者動作的鍵(11)，將該釘子(2)的施加作用動作，一活塞(6)，可沿一施加方向(3)運動，且設有一壓塊(7)以將該釘子(2)推進，一燃燒室(4)，在其中可將一由可燃氣體和空氣的混合物點燃以驅動該活塞(6)，一壓縮機(17)，被該電馬達(19)驅動，且將燃燒室內的空氣在點火前壓縮，其特徵在：具有一馬達控制手段(30)其依申請專利範圍第1~第9項的方法回應於該鍵(11)的動作將該電馬達(19)加速。 (圖5)

Description

控制方法與手工具機(二)

本發明關於一種用施施加釘的手工具機，以及一種用於施加釘的手工具機的控制方法。

這類手持工具機的例子US 2010/108736 A或US 2004/134961 A所發表者，一個具有一活塞的燃燒室充以空氣及一種可燃瓦斯，將此氣體混合物點火，如此燃燒氣體將活塞加速。利用活塞的運動能量將一釘子打入一工作物中，一活塞壓縮機將該空氣壓縮並將它存入一儲槽。燃燒室由儲槽供應，提高空氣壓力，可在較小的燃燒室中供入相同的供燃燒的空氣量。然而此附加的壓縮機及它所需的能源使該施加器具的重量和尺寸增加。

本發明的控制方法係為一手工具設計，其具有一電馬達，以供應該電馬達的電源，及一用於將手工具機的一操作功能動作的鍵，此電馬達可特別為一壓縮機的部分，其在馬達軸上有一通氣輪(風扇輪)，該手工具機特別是用瓦斯操作的施加器具的場合。同樣地，該電馬達可用於將活塞回復到一施加器具的一燃燒室中。在加速時，馬達控制手段將電馬達接收的功率調節到一恆定的標稱功率。

一般電池套組達成一手工具機的總重量的一大部分，電池套組的選擇係依所需容量、標稱電壓及其最大功率方面之容許負載度而定。本發明的方法可使總重量減少，因為它將需求減到容許的負載能力，電池套組或其他電源(例如要冷卻的功率構件的電源)的最大功率只針對在電馬達加速階段時的標稱功率設計，但此控制方法由於較大之電阻造成之損失，故在能量消耗上是不利的。要作相同的加速動作，所需電流比用恆定電流的傳統加速方式更大。

馬達控制手段可將電馬達中的電流限制到一界限值。一感測器測定電馬達的轉速。馬達控制手段隨著轉速增加減少界限值。此控制方法並不將恆定電流供入電馬達，而係電流隨轉速減少，此界限值宜大約和轉速成反比。

一種設計中，靜止的電馬達用最大電流加速，且電源隨電馬達轉速增加而減少直到達到標稱轉速為止。

另一種設計中，電馬達驅動一通氣輪，其將空氣送入手工具機的一燃燒室中。

又一設計中，如果燃燒室中壓力達到一標稱值，則將電馬達關掉。可燃瓦斯可從一儲筒供入燃燒室，且在達到該標稱值時，由可燃瓦斯和空氣構成的混合物就點燃。

再一設計中，電馬達將手工具機的燃燒室的活塞推回一基本位置。

以下例用實施例及圖式說明本發明。

(1)‧‧‧釘子

(2)‧‧‧施加器具

(3)‧‧‧施加方向

(4)‧‧‧燃燒室

(5)‧‧‧把手

(6)‧‧‧活塞

(7)‧‧‧壓塊

(8)‧‧‧跑道

(9)‧‧‧儲匣

(10)‧‧‧安全鍵

(11)‧‧‧動作鍵

(12)‧‧‧器具控制手段

(13)‧‧‧火星塞

(14)‧‧‧儲筒

(15)‧‧‧殼體

(16)‧‧‧定量供應閥

(17)‧‧‧壓縮機

(18)‧‧‧通氣器輪

(19)‧‧‧電馬達

(20)‧‧‧通道

(21)‧‧‧入口閥

(22)‧‧‧旁路閥

(23)‧‧‧旁路閥

(24)‧‧‧電池

(26)‧‧‧轉速

(27)‧‧‧中間值

(28)‧‧‧操作轉速

(30)‧‧‧馬達控制手段

(31)‧‧‧功率接收

(32)‧‧‧標稱功率

(33)‧‧‧電流

(34)‧‧‧電壓

(35)‧‧‧標稱值

(36)‧‧‧感測器

(37)‧‧‧比較器

(38)‧‧‧調整信號(調整電流)

(39)‧‧‧限制器

(40)‧‧‧調整電流

(41)‧‧‧調節回路

(42)‧‧‧比較器

(43)‧‧‧馬達

(44)‧‧‧聯動器

D‧‧‧實際轉速

G‧‧‧限度值

T01、T02、T03、…‧‧‧時間

S01、S02、S03、…‧‧‧狀態

圖1係釘子的施加器具，圖2係該施加器具的控制流程圖，圖3係一壓縮機的轉速的走勢圖，圖4係該電馬達的電流或接收功率的走劫圖，圖5係該電馬達的馬達控制手段的一方塊圖。

圖1的一手持工具機的例子以示意方式顯示一用燃燒力量驅動的施加釘子(2)的施加器具(1)，施加器具(1)將釘子(2)沿施加方向(3)壓入一工作物中，為此所需的能量轉一氣體混合物在施加器具(1)的一燃燒室(4)中燃燒而提供，使用者在操作時〔即在施加釘子(2)時〕利用一把手(5)將施加器具(1)拿住及操作。為此，施加器具(1)設計成對應地緊密且輕。

燃燒室(4)沿施加方向(3)利用一活塞(6)封閉，活塞(6)可平行於施加方向(3)運動，活塞(6)受到膨脹的燃燒氣體沿施加方向(3)加速。活塞(6)設有一壓塊(活塞頭)(Stempel)(7)，它突入到一跑道(Lauf)(8)進去。一釘(2)可放入跑道(8)中，這點可單獨用手作或利用一儲匣(9)自動化地做，隨活塞(6)運動的功塊(7)將釘子(2)從跑道(9)壓出來壓入工作物進去。

使用者將安全鍵(10)及一動作鍵(11)動作將施加過程起動。一器具控制手段(12)對應於此動作，將該燃燒室(4)充滿氣體混合物，並利用燃燒室(4)中一火星塞(13)將此氣體混合物點燃。

氣體混合物由一可燃瓦斯和空氣組成。可燃瓦斯宜含有易揮發之短鍵烴類，可燃瓦斯宜由一儲筒(14)提供。儲筒(14)設在殼體(15)中一容納部中。儲筒(14)可拿掉並用一充滿的儲筒(14)更換，或儲筒(14)可再充氣。一可控制的定量供應閥(16)設在儲筒(14)和燃燒室(4)之間。器具控制手段(12)將定量供應閥(16)打開及關閉，因此將可燃氣體的量定量供應，該氣體供入燃燒室(4)作施加過程。

燃燒室(4)利用一壓縮機(17)主動充以空氣。空氣提供燃燒所需之氧氣，壓縮機(17)有一通氣器輪(風扇輪)(18)和一無電刷的電馬達(19)。通氣器輪(18)設計成徑向通氣器形式，它將冷氣沿其軸吸取並沿徑向吹出，此通氣器輪(18)以一轉小於5立方公分(例如在0.5cm³和2cm³之間)的送氣量運送。操作轉速大於2000轉/每秒(120000rpm)，以達到2000立方公分~10000立分公分/每秒的空氣流運送。

壓縮機(17)直接供應燃燒室(4)，在壓縮機(17)和燃燒室(4)間沒有設緩衝級以被壓縮機(17)充氣且在必要時將燃燒室(4)充注，一條貫行的通道(20)在壓縮機(17)開始而終止於燃燒室(4)，通道(20)開口在燃燒室(4)的一入口閥(21)，入口閥(21)受器具控制手段(12)控制。在此圖示之實施例中，通道(20)有一旁路閥(22)。由壓縮機(17)產生的空氣可經打開的旁路閥(22)流出到殼體(15)中，亦即流到環境中，器具控制手段(12)可將旁路閥(22)關閉，如此空氣流全流入燃燒室(4)。如不用此方式(或者除了此方式外同時)也可另外在燃燒室(4)中設一旁路閥(23)。空氣流就流入燃燒室(4)，且可經打開的旁路閥(23)跑掉。旁路閥(22)(23)可包含另外的管路，且設計成打開使一空氣流(至少1000立方公分/每稱)導出到環境中。

壓縮機(17)的電馬達(19)由一電池(24)供電。電池(24)宜含有鋰離子技術的電池單元。電池(24)可在燃燒室(4)和壓縮機(17)旁長時設在殼體(15)中，如不用此方式，電池(24)可用可拿掉的方式固定在殼體(15)上。

施加過程利用圖2中的控制圖說明，而時間走勢在圖3中說明。施加器具(1)最初(t=T01)在靜止狀態(S01)，燃燒室(4)除氣。燃燒室(4)中大致只有周圍壓力以下的空氣。壓縮機(17)關閉且不運送空氣，活塞(6)其起始位置，此處燃燒室(4)的體積為最小。

使用者將跑件(Lauf)工作物壓。此例示之跑件(8)可抗逆著一彈簧(25)的力量移入殼體(15)中。在此，安全(保險)鍵(10)動作。(T02)，器具控手段(12)繼續檢查(狀態S02)，是否安全鍵(10)保持動作。如果使用者將安全鍵(10)放鬆，其中施加器具(1)不再壓向工作物，則器具控制手段(12)將施加過程中段，並將施加器具(1)變到其靜止狀態(S01)。

壓縮機(17)回應安全鍵(10)的動作而啟動(狀態S03)。電馬達(19)的轉速(26)從最初的加速到一中間值(27)。舉例而言，此中間值(27)超過2500轉/秒。此中間值(27)宜在操作轉速(28)的50%~90%間。器具控制手段(12)宜在加速到此中間值(27)的開始或之時將旁路閥(22)(23)打開(狀態S04)。在此，燃燒室(4)的入口閥(21)可開放。如果旁路閥(23)設在燃燒室(4)中，則入口閥(21)隨旁路閥(23)打開，在達到中間值(27)後(t=T03)，電馬達(19)在狀態S05維持轉速(26)。旁路閥(22)(23)保持完全開放。控制手段(12)一直等等(狀態S06)到動作鍵(11)動作，如果在安全鍵(10)動作(t=T02)之後，在一段預定期間後動作鍵(11)不動作，則壓縮機(17)關掉。施加器具(1)回復到靜止狀態(狀態S01)。

使用者將安全鍵(10)動作後將動作鍵(11)動作(t=T04)器具控制手段(12)(在狀態S07)檢查是否安全鍵(10)仍動作，否則施加過程中斷。回應於安全鍵(10)動作，壓縮機(17)加速(狀態S08)到其操作轉速(28)，操作轉速(28)大於2000轉/秒(180,000rpm)。壓縮機(17)的運送功率達一值3升/每秒~10升/每秒。

旁路閥(22)回應於動作鍵(11)的動作而關閉(狀態S09)。這種關閉(狀態S09)宜可隨加速的開始(t=T04)而達成，也可在加速之時或在達到操作轉速(28)(t=T05)時達成，空氣流此時完全流入燃燒室(4)。燃燒室(4)並非完全關閉成密封，而係可容許0.3~0.8升/每秒的流出。舉例而言，旁路閥(23)可保持開放或只部分地關閉，該微小的徑向通氣器可只建立起小小的靜壓力差。此作用方式始終需要高空氣流，即使標稱壓力已大致達到亦然，燃燒室(4)內的壓力由於流入大於流出故上升到1.3~3.5間的一標稱值。此標稱值(壓縮比)沒有單位，係為燃燒室(4)內的空氣壓力和周圍壓力的比例，壓縮比由器具控制手段(12)預設。器具控制手段(12)根據周圍溫度和周圍壓力求出壓縮比，器具控制手段求出(在狀態S01)一期間(時間點T06)，此期間乃達到燃燒室(4)中的壓縮比該壓縮機(17)所需的期間。一直到此壓縮比為止，壓縮機(17)以操作轉速(28)操作(狀態S11)。

在旁路閥(22)(23)關閉後，可燃氣體噴入燃燒室(4)(狀態S12)。器具控制手段(12)根據周圍溫度和周圍壓力求出可燃氣體的量。可燃氣體的量和空氣量互相配合，以達到所要之施加能量，可燃氣體噴入的時間點係配使旁路閥(22)(23)類型之使用決定。當旁路閥(23)在燃燒室(4)後方時顯得有利，它有利於將可燃氣體在達到壓縮比前不久才噴入燃燒室(4)。舉例而言，燃燒室(4)內的壓力須已達標稱壓力的75%以上。當旁路閥在燃燒室(4)前方時，係有利於當燃燒室(4)中大致仍未建立起壓力時早時將可燃氣體噴入。燃燒室(4)並非設計成密封，我們希望有某種空氣流從燃燒室(4)出來，因為快速旋轉的壓縮機(17)一直需要有空氣流。但在此並不要將有價值的燃料瓦斯一起沖刷出來，然而可燃瓦斯要在達到壓縮比前噴入，隨著入口閥(21)關閉-壓力急速下降，例如至少0.1巴/每秒100毫秒。

當器具控制手段(12)求得狀態S13時(亦即：已過了該期間t=T06，換言之，達到標稱壓力了)則入口閥(21)關閉，而壓縮機(17)關掉。如不用此方式(或除了此方式外用時)另外，也可在燃燒室(4)內設一壓力感測器(29)，它將「壓縮比已達到」的情事檢知。

當入口閥(21)一關閉，可燃氣體就點燃(步驟S16)。

當入口閥(21)關閉(t=T06)，則器具控制手段(12)將一個對應的控制信號送到火星塞(13)。在動作鍵(11)由使用者動作以及點火(步驟S13)之間的期間(T04到T06)在50毫秒~150毫秒範圍。此期間T04~T06就安全需求而言，係選設成很短。使用者在此時間內不能將施加器具(1)從工作物拿起，活塞(6)如所加速並將釘(2)打入工作物中。燃燒氣體變冷使燃燒室(4)中變低壓，這點使活塞(6)被拉回其起始位置，在此，入口閥(21)和旁路閥(23)關閉。

壓縮機(17)和供電給壓縮機(17)的電池(7)係為附加的元件，它們的重量使施加器具(1)的總重量增加。但將空氣壓縮可使燃燒室(4)設計得較小，因為在此較小體積內可放入相同的氧量。燃燒室(4)的體積和重量可減少。有效的重量減少只能用於壓縮比1.3~3.5之間實施。燃燒室(4)的量改變，對於壓縮比小於1.3，則此增加的附加元件得不償失。而壓縮比大於3.5時，固然燃燒室(4)可得輕，但由於壓縮機重量達成的優點就犧牲掉，或壓縮機強的問題產生。用1.35~3.5間的壓縮比，如果壓縮機(17)設計成大轉速(26)或具小型徑向通風器時，則總重量可減少，此轉速超過2000轉/每秒，如果需要大於1.3的壓縮比[K]，則對於壓縮的各個百分點轉速[D](26)須提高至少各67轉/每秒，D=6700(K-1)。

電馬達(19)被一電池套組(24)供電。電馬達(19)的高加速度值造成尖峰電流，它們特別對目前根據鋰離子技術的電池造成很大的負荷。因此電馬達(19)設有一馬達控制手段(30)，它可使電池套組(24)在一般負荷達到高加速度。馬達控制手段(30)在加速階段時調節電馬達(19)的功率接收(31)到一標稱功率(32)，此受調節的功率接收作用的特點為：最初有高電流(33)供入還在靜止的電馬達(19)，而電流(33)增電馬達(19)的轉速上升而減少。電馬達(19)上的電壓(34)隨轉速(26)上升，此電壓(34)乘上電流(33)即為該功率的接收量(31)。

馬達控制手段(30)宜將電馬達(19)的轉速(26)調節到一標稱值(35)。此標稱值(35)可各依中間值(27)之設定的階段而定或為操作轉速(28)，例示的馬達控制手段(30)示於圖5的方塊圖。電馬達(19)設有一感測器(36)以測定實際轉速(26)。舉例而言，感測器(36)可有一霍爾感測器，或利用馬達線圈中週期性變化的感應電壓而測定轉速。在無電刷馬達使用的其他感測器也同樣可使用。一比較器(37)將標稱轉速(35)與實際轉速(26)比較，並發出對應之調整信號(38)。「調整信號」(38)為一電流量，它係要供應到電馬達(19)中的電流，一限制器(37)將「調整電流」(38)與一容許的界限值比較，且當超過此界限值時，將調整電流(38)減少到此界限值。此受限制的「調整電流」(40)供應到一調節回路(41)，它將電馬達(19)中的電流(33)用一比較器 (42)調節到該受限制的調節電流(40)。舉例而言，調節回路(41)可將電馬達(19)上的電壓(34)，一種脈波寬比例改變以調節電流(38)。

馬達控制手段(30)的轉速調節作用利用實際轉速(26)回耦到限制器(39)中，而增加加了在加速時的功率調節的作用。在電馬達(19)加速時，實際轉速(26)和標稱轉速的偏重仍大時，會使限制器(39)將調整信號(38)限制到限度值。限制器(39)將限度值[G]和實際轉速[D](26)成反比調整：G=a/D。在最先時實際轉速(26)低時，限度值很高，如此調整信號(38)要求對應地高的電流(33)供入電馬達(19)。最大電流(33)出現在從靜止狀態加速之時，一比例因數[a]宜選設成在從靜止加速時，電電池(24)最大容許的功率叫出。此比例因數可預設成固定，此比例因數宜依電池(24)的充電狀態而決定。比例因數隨充電狀態降低而減少。此外，比例因數可隨周圍溫度降低而減少。隨著實際轉速(26)上升，限度值以及電馬達(19)內流動的電流(33)減少。如果電馬達(19)已達到標稱轉速(35)，則調整信號(38)很小且不再受限度值影響，功率調節作用不再活動。

此馬達控制手段(30)可同樣用於另種馬達(43)〔它將活塞(6)在燃燒室(4)中逆著施加方向(3)回復，基本位置〕。聯動器(44)宜可有一自由輪機構，它在活塞(6)沿施加方向(3)運動時將馬達(43)脫耦。

施加器具(1)有一溫度感測器(45)，以測定周圍溫度，器具控制手段(12)根據溫度求出可燃瓦斯的量和空氣量，以利用所要之施加能量將釘子(2)施子。支持表含有不同溫度及不同施加能量之所需相關之可燃瓦斯及空氣的量及燃燒室(4)中的壓力。空氣的壓縮比隨溫度下降而減少，此外燃燒室(4)內可燃瓦斯的量也減少。

施加器具(1)可具有一調整元件(46)，它可使得使用者能調整施加能量。舉例而言，施加能量的改變有利於在施加到不同底材中時作最佳化或可使一具有矽膠的軟襯片的釘子(2)能施加。器具控制手段(12)，將調整的施加能量檢出，並利用表決定所需之可燃瓦斯之需要量及燃燒室(4)中要達到的壓力。後者決定燃燒室(4)中的氣量，個別的值可利用一系列試驗事先決定並儲存在表中。馬達控制手段(30)宜依所要達到的壓力而定配合操作轉速(28)，當壓力減少時，較小的轉速(26)就足夠了。