DE69501170T2 - Elektrischer Motor für ein tragbares Maschinenwerkzeug - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkzeugmaschinen, wie z.B. Rohrbieger, Bohrer, Schleifer, Gewindeschneider oder Gewindebohrer oder Stempeltreiber, Scherschneider, Schraubenschlüssel oder dynamometrische Schrauber usw.
• Genauer, die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor für den Betrieb davon.
• Weiter bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Werkzeugmaschinen, die mit solch einem Elektromotor für ihren eigenen Betrieb ausgestattet sind.
Hintergrund der Erfindung
• Die tragbaren Werkzeugmaschinen von heute, die mit solch einem Elektromotor für ihren Betrieb ausgestattet sind, sind durch einen Bediener zu benutzen, wobei sie die Primärbewegung des Werkzeuges durch den Elektromotor auf eine geeignete Weise als Funktion der Situation treiben, in der sich das Werkzeug jedesmal befindet.
• Das Betreiben der Werkzeugmaschine wird daher durch den Bediener auf der Grundlage durchgeführt, wie er die Situation des Werkzeuges jedesmal "fühlt".
• Zum Beispiel sind die Elektromotoren von Bohrern mit einem Steuerschaltungsschema ausgestattet, das Triacs, Diacs, passive Komponenten usw. mit einer Komponente variablen Widerstandes, die durch einen zu drückenden Knopf eingeführt wird, zum Modulieren der Drehzahl der Spitze des Bohrers enthält.
• Die tragbaren Werkzeugmaschinen von heute sind somit mit einfachen Mitteln zum Wirken auf die Primärbewegung des Maschinenwerkzeuges ausgestattet, aber der Antrieb unterbleibt der Empfindlichkeit, der Bearbeitung und des Eingriffes des Bedieners ausgeliefert.
• Das Vorgehen auf dem Gefühl des Bedieners bei dem Antrieb der Primärbewegung des Werkzeuges der Maschine macht jedoch die Maschinengenauigkeit und die Resultate des gleichen möglicherweise nicht sehr genau.
Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Elektromotor einer tragbaren Werkzeugmaschine vorzusehen, bei dem die Primärbewegung des Werkzeuges automatisch durch den Elektromotor selbst als eine Funktion der Situation betrieben wird, in der sich das Werkzeug jedesmal befindet, d.h. der mit einem Rückkopplungsmerkmal ausgestattet ist.
• Solch eine Aufgabe wird erzielt durch Ausrüsten der Werkzeugmaschine oder besser des relevanten Betriebselektromotors mit einer Steuerelektronikeinrichtung, die um einen Einchipmikroprozessor aufgebaut ist, der zum Verarbeiten von Eingangsdaten programmiert ist, die die Arbeitslösung darstellen, d.h. die Belastung des Werkzeuges, wie z.B. der unter Belastung aufgenommene elektrische Strom, so daß Ausgangsdaten für den Eingriff auf die Primärdrehung des Werkzeuges selbst vorgesehen werden. Die Größe, mit der man auf den Antrieb der Primärbewegung des Werkzeuges eingreift, ist die elektrische Spannung.
• Die Steuereinrichtung weist Sensoren, die die Eingangsdaten für den Mikroprozessor vorsehen, als auch Betriebsmittel zum Realisieren des Eingriffes auf die Primärbewegung, die durch den Mikroprozessor entschieden wird, auf. Die Komponenten, die die Steuereinrichtung zusätzlich zu dem programmierten Einchipmikroprozessor vervollständigen sind alle von niedriger Leistung und in einer Schaltungskonfiguration niedrigen Energieverbrauches angeordnet. Die auf der Werkzeugmaschine angeordnete Steuereinrichtung verschlechtert nicht ihre Tragbarkeit, wie mit dem oben aufgebauten Gerät kann sie mit ausreichend kleiner Belastung gemacht werden.
Gegenstand der Erfindung
• Daher bezieht sich die gegenwärtige Erfindung auf einen Elektromotor für tragbare Werkzeugmaschinen mit einem Stator, Bürsten und einer Ausgangswelle zum Betreiben; einem Mittel zum Erfassen der Position und der Drehzahl der Ausgangswelle; einem Mittel zum Erfassen der Größe und der Phase der Eingangsspannung des Elektromotors selbst; einem Mittel zum Erfassen des von der Last absorbierten elektrischen Stromes und einer dafür relevanten Moment- und Achsenpositionssteuerung; einem Mikroprozessormittel mit einem Stift für nicht-maskierbare Unterbrechung, der zum Bearbeiten des von dem Erfassungsmittel erfaßten Erkennungswert programmiert ist; einem Mittel zum Erzeugen einer Beschleunigungsrampe bei dem Start; als auch ein Mittel zum Erzeugen der Nenngeschwindigkeit des Werkzeuges, spannungsgesteuert durch das Mikroprozessormittel als Reaktion auf die von ihm selbst bearbeiteten erfaßten Werte; und ein Mittel zum Steuern des Vorwärtslaufens, des Rückwärtslaufens und des Laufeinstellens, wie aus der EP 0 034 822 bekannt ist.
• Der Elektromotor der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist
• ein Mittel zum Erfassen der Größe der Eingangsspannung des Elektromotors selbst;
• ein Mittel zum Erzeugen einer Verlangsamungsrampe bei dem Stoppen;
• ein Komparatormittel, das eine Darstellung der Konfiguration des Mittels zum Erfassen der Position und Drehzahl der Ausgangswelle empfängt und es auf solche Weise bearbeitet, daß als Resultat an dem Stift für nicht-maskierbare Unterbrechung des Mikroprozessormittels ein hoher Zustand oder logischer Pegel gegeben wird, der durch eine binäre Eins in positiver Logik oder eine aktive Null in negativer Logik dargestellt wird;
• wobei das Mikroprozessormittel so programmiert ist, daß es, wenn sich die Konfiguration des Erfassungsmittels der Position und der Drehzahl der Ausgangswelle ändert, was eine Zustandsänderung an dem Stift für nicht-maskierbare Unterbrechung und somit die Erzeugung einer nicht-maskierbaren Unterbrechung mit sich bringt, die neue Position bearbeitet und die Konfigurationsdarstellung an dem Komparatormittel aktualisiert, so daß es eine neue Änderung der Konfiguration erfassen kann;
• und dadurch, daß das Mittel zum Steuern des Vorwärtslaufens, Rückwärtslaufens und Laufeinstellen die Stator- und Bürstenleistung einsetzt, die von einer Antriebsanordnung durch zwei Relais vorgesehen wird, die so konfiguriert sind, daß nur eines aktiv sein kann.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine tragbare Werkzeugmaschine, die für ihren Betrieb mit solch einer Elektronik ausgestattet ist.
Vorteile der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung sieht verschiedene wichtige Vorteile vor. Sie sind von wirtschaftlicher Natur, da sie niedrige Herstellungskosten und einen niedrigen Energieverbrauch während ihres Betriebes erlaubt, als auch einer Miniaturisierung, die erlaubt, daß eine tragbare Werkzeugmaschine erhalten wird, die mit einer Fähigkeit des Rückkoppelns der Arbeitssituation ausgestattet ist, in der sich das Werkzeug jedesmal befindet.
• Das Mikroprozessormittel kann zum Vorsehen der geeignetsten Spannungssteuerung für jede Art von Werkzeug in Bezug auf die verschiedenen Arten von Materialien, auf die das Werkzeug einzuwirken hat, programmiert werden. Die Fähigkeit der Rückkopplung ist somit für jeden speziellen Fall programmierbar.
• Der Mikroprozessor kann austauschbar sein, wodurch ein Mikroprozessor für jede einzelne Arbeitssituation vorgesehen wird.
Detaillierte Offenbarung der bevorzugten Ausführungsformen
• Die vorliegende Erfindung wird am besten auf der Grundlage der folgenden detaillierten Offenbarung ihrer bevorzugten Ausführungsformen verstanden, die nur als Beispiel aber absolut nicht als Beschränkung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben wird, in denen
• - Fig. 1 im Längsschnitt einen Elektromotor gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung darstellt, die zum Betreiben einer Rohrbiegemaschine geeignet ist;
• - Fig. 2 im Längsschnitt einen Elektromotor gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung darstellt, die geeignet zum Betreiben eines Bohrers oder eines Gewindeschneider ist;
• - Fig. 3 das elektrische Schema der Elektronik darstellt, die das Gerät zum Steuern der Elektromotoren von Fig. 1 und 2 bildet;
• - Fig. 4 eine Bedienerschnittstelle mit der Steuerelektronik von Fig. 3 darstellt;
• - Fig. 5 im Längsschnitt eine Rohrbiegemaschine darstellt, die mit dem Elektromotor der elektronischen Steuerung von Fig. 1 ausgerüstet ist; und
• - Fig. 6 im Längsschnitt einen Gewindeschneider darstellt, der mit dem Elektromotor der elektronischen Steuerung von Fig. 2 ausgerüstet ist.
• Es wird Bezug genommen auf Fig. 1 und 2, zwei tragbare Werkzeugmaschinen können beobachtet werden, die mit einem Elektromotor gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ausgerüstet sind. Sie enthalten einen Elektromotor, der aus einem Rotor 6 und einem Stator 7 und aus Bürsten 8, 8' gebildet ist. Solch ein Motor wirkt auf eine Ausgangswelle 9, 9a durch ein Getriebe.
• Das Merkmal der Erfindung besteht aus der Elektronik zum Steuern solch eines Elektromotors. Es wird durch Leiterplatten oder Tafeln 1, 2 und 3 dargestellt, die Eingangsdaten von einem Sensor oder einem Detektor 4 empfangen.
• Die Maschine wird vervollständigt durch ein Mittel zum Eingeben von Bedienersteuerung, das aus Tasten 10, 11 und 12 gebildet ist, wie im folgenden offenbart wird.
• Die Steuerelektronik ist im Einzelnen in Fig. 3 dargestellt.
• Sie weist drei Leiterplatten oder Tafeln 1, 2, 3 auf, und sie ist um einen Mikroprozessor 30 auf der Platte 3 gebildet.
• Die Elektronik weist einen Sensor 4, der aus zwei Halleffektsensoren 4', 4" gebildet ist, zum Erfassen der Drehzahl der Ausgangswelle 9, d.h. ihrer Zahl von Umdrehungen pro Minute auf.
• Der Einchipmikroprozessor oder Mikrochip 30 ist mit dem Sensor 4 zum Empfangen in Eingangsdaten, die die logische Konfiguration der zwei Halleffektsensoren 4', 4" darstellen.
• Der Mikroprozessor 4 ist ein SGS-ST62T10 Modell bei der gegenwärtigen Ausführung der vorliegenden Erfindung. Er könnte jedoch auch ein anderes Modell mit geeigneten Anpassungen der Steuerschaltung, die es enthält, sein, das kommerziell erhältlich ist, wie z.B. ein Motorola 68K05 Modell oder ein Modell der Zilogs Z86 Familie, ohne daß so der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
• Der Mikroprozessor 30 wiederholt die logische Konfiguration der zwei Hall- Effektsensoren 4', 4" an dem Eingang einer Komparatorschaltung 31, die den Eingang auf solche Weise bearbeitet, daß ein Resultat an einem Stift NMI (nicht-maskierbare Unterbrechung) des Mikroprozessors 30 selbst ein Hochzustand oder logischer Pegel, der durch Eins dargestellt wird, wenn in positiver Logik gearbeitet wird, gegeben wird.
• Wenn sich die Konfiguration der Sensoren 4', 4" ändert (das ist, der Zustand von einem und nur einem der Sensoren selbst ändert sich), hat man eine Zustandsänderung entsprechend dem oben erwähnten Stift NMI, wobei die Änderung eine nicht-maskierbare Unterbrechung erzeugt. In der Routine zum Ausführen solch einer Unterbrechung wird die neue Position bearbeitet mit einer Zunahme oder Abnahme der Umdrehungen pro Minute der Ausgangswelle, und die neue Konfiguration an dem Eingang der integrierten Komparatorschaltung 31 wird aktualisiert, damit eine neue Änderung eines Zustandes der Sensoren 4', 4" erfaßt werden kann.
• Die Steuerelektronik enthält auch ein Mittel zum Erfassen der Eingangsspannung zum Vorsehen des relevanten Wertes für den oben erwähnten Mikroprozessor 30, wobei die Eingangsspannung selbst an einem Knoten 20 in der Form einer Halbwelle anliegt. Die Spitzenspannung wird erfaßt, in dem die Hauptfrequenz in Betracht gezogen wird.
• Die (analogen) erfaßten Werte werden in digitale Form in einem Acht-Bitformat umgewandelt und gespeichert. Die erfaßten Werte ermöglichen es, daß das Moment und die Leistung, die von dem Motor aufgenommen werden, berechnet werden.
• Ein Nulldurchgangssensor ist ebenfalls zum Vorsehen der Phase der Spannung vorgesehen.
• Danach weist die Steuerelektronik ein Mittel zum Erfassen des durch die Last unter Belastung aufgenommenen elekrischen Stromes auf.
• Das Erfassen wird in Entsprechung mit einem Knoten 22 an dem Punkt maximaler Absorption durchgeführt (wobei sich der Strom im wesentlichen in Sinusform selbst darstellt).
• Weiterhin weist die Steuerelektronik ein Mittel zum Treiben der Ausgangswelle auf. Diese sind aus einem Einschalttriac 23 gebildet. Auf der Grundlage des Ausganges des Phasensensors 21 schaltet der Triac ein mit Pulsen mit einer Verzögerung von 40 Mikrosekunden, die in Bezug auf den Nulldurchgang programmiert sind, zum Erzielen der erwünschten Drehzahl der Ausgangswelle. Je größer die Verzögerung ist, desto kleiner ist die Drehzahl. Das heißt, die Drehzahl z.B. als die Zahl der Umdrehungen, die in einer Minute ausgeführt werden, ist umgekehrt proportional zu der Verzögerung der Pulse an dem Triac in Bezug äuf den durch den Sensor 21 erfaßten Nulldurchgang. Der Mikroprozessor 30 wirkt auf den Motor durch den Triac 23 (Erzeugung einer programmierten quadratischen Mittelwertsspannung, die als Voreinstellung voreingestellt werden kann oder durch den Bediener eingestellt werden kann) als Funktion der erfaßten Werte, so daß die gewünschte Drehzahl erhalten wird.
• Die Antriebsanordnung des Elektromotors weist somit den Triac 23 und den Mikroprozessor 30 selbst auf.
• Sie gibt die Stator- und Bürstenleistung auf der Grundlage von Bedienersteuerung an zwei Relais 24, 25 ein, die so aufgebaut sind, daß nur eins aktiv sein kann. Die Leistung der Bürsten treibt die Laufrichtung des Motors aufgrund dessen, ob sie positiv oder negativ relativ zu dem Stator ist.
• Die Bedienersteuerungen werden durch Vorwärtslauf- 11', Rückwärtslauf- 12' und Laufeinstellungs- 10' knöpfe eingegeben.
• Die Steuerelektronik wird durch eine Leistungsanordnung 1 betrieben. Sie weist einen Transformator 10, ein Mittel zum Gleichrichten von Strom 11 und ein Mittel zum Regulieren von Spannung auf, das aus einer Spannungssteuerung 12 gebildet ist. Die Leistungsanordnung liefert eine nicht-regulierte Spannung von 12V Gleichstrom zur Belieferung der zwei oben erwähnten Relais und eine regulierte Spannung von 5V für die Schaltungen zum Handhaben von Information.
• Ebenfalls ist ein Betrachter 40, der Information über den Zustand des Elektromotors darstellt, mit dem Mikroprozessor 30 verbunden. Das Verbindungsmittel solch eines Betrachters mit dem Mikroprozessor ist aus einem Verbindungsbus gebildet und bietet eine Steckplatine 41 zur Verbindung mit anderen eventuellen Geräten von Interesse.
• Neben dem Betrachter kann eine Einrichtung zum akustischen Signalisieren von Zustandsinformation vorgesehen werden, die z.B. in einem Morsecode ausgedrückt wird, damit der Bediener nicht seinen Blick von der Tätigkeit, die gerade stattfindet, abwenden muß.
• Die Fig. 4 stellt die Bedienerschnittstelle mit der Steuerelektronik dar. Sie weist eine ein rotes Licht imitierende Diode 12", die ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist, die einen eingeschalteten Zustand in der Maschine in ihrem erleuchteten Zustand anzeigt, und drei Tasten entsprechend zum Steuern des Vorwärtslaufes 11', des Rückwärtslaufes 12' und des Laufeinstellens 10', als auch die Einstellplatine 41, die hier mit zwei Fassungen dargestellt ist, auf.
• Fig. 5 und 6 stellen eine Rohrbiegemaschine bzw. einen Gewindeschneidestempel oder Gewindeformer oder Anschrägmaschine dar, die mit dem Elektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet sind.
• Die Rohrbiegemaschine und der Gewindeschneidestempel werden durch die Ausgangswelle 9 über ein Getriebe betätigt.
• Die vorliegende Erfindung ist unter Bezugnahme auf eine spezielle Ausführungsform davon offenbart und dargestellt, aber es ist ausdrücklich zu verstehen, daß Variationen, Zusätze und/oder Weglassungen gemacht werden können, ohne daß der Umfang des dafür relevanten Schutzes verlassen wird, wie er durch die beigefügten Ansprüche angegeben wird.

Claims (2)

1. Elektromotor für tragbare Werkzeugmaschinen mit einem Stator (7), Bürsten (8, 8') und einer Ausgängswelle zum Betreiben; einem Mittel (4) zum Erfassen der Position und der Drehzahl der Ausgangswelle;

einem Mittel (21) zum Erfassen der Phase der Eingangsspannung des Elektromotors selbst;

einem Mittel zum Erfassen des durch die Last absorbierten elektrischen Stromes und einer dafür relevanten Moment- und Achsenpositionssteuerung;

einem Mikroprozessormittel (30) mit einem Stift für nicht-maskierbare Unterbrechung, das zum Bearbeiten der durch das Erfassungsmittel erfaßten Erkennungswerte programmiert ist;

einem Mittel zum Erzeugen einer Beschleunigungsrampe bei dem Start;

als auch einem Mittel zum Erzeugen der Nenngeschwindigkeit des Werkzeuges, spannungsgesteuert durch das Mikroprozessormittel als Reaktion auf die von ihm selbst bearbeiteten Erkennungswerte; und

einem Mittel (10', 11', 12') zum Steuern des Vorwärtslaufens, Rückwärtslaufens und der Laufeinstellung;

gekennzeichnet durch

ein Mittel zum Erfassen der Größe der Eingangsspannung des Elektromotors selbst;

ein Mittel zum Erzeugen einer Verlangsamungsrampe bei dem Stoppen;

ein Komparatormittel (31), das eine Darstellung der Konfiguration des Mittels (4) zum Erfassen der Position und Drehzahl der Ausgangswelle empfängt und es auf solche Weise bearbeitet, daß als Resultat an dem Stift für nicht-maskierbare Unterbrechung des Mikroprozessormitteis ein hoher Zustand oder logischer Pegel gegeben wird, der durch eine binäre Eins in positiver Logik oder eine aktive Null in negativer Logik dargestellt wird;

wobei das Mikroprozessormittel so programmiert ist, daß es, wenn sich die Konfiguration des Erfassungsmittels der Position und der Drehzahl der Ausgangswelle ändert, was eine Zustandsänderung an dem Stift für nicht maskierbare Unterbrechung und somit die Erzeugung einer nicht maskierbaren Unterbrechung mit sich bringt, die neue Position bearbeitet und die Konfigurationsdarstellung an dem Komparatormittel aktualisiert, so daß es eine neue Änderung der Konfiguration erfassen kann, und dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Steuern des Vorwärtslaufens, des Rückwärtslaufen.s und des Laufeinstellens die Stator- und Bürstenleistung einsetzt, die von einer Antriebsanordnung durch zwei Relais (24, 25) vorgesehen werden, die so konfiguriert sind, daß nur einer aktiv sein kann.

2. Tragbare Werkzeugmaschine, die für ihren Betrieb mit einem Elektromotor nach Anspruch 1 ausgestattet ist.