GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für eine bohrmeißelnde Handwerkzeugmaschine, die einen Bohrer gleichzeitig dreht und längs auf den Bohrer Schläge ausübt. US4732218 beschreibt einen Bohrhammer. Der Bohrhammer hat ein pneumatisches Schlagwerk, das periodisch Schläge auf einen Bohrer ausübt. Der Bohrer wird ferner um seine Längsachse gedreht. Der Bohrhammer wird insbesondere eingesetzt um Bohrlöcher in mineralische Baumaterialien, wie z.B. Beton, zu bohren. Die verwendeten Bohrer sind daher für die Bearbeitung von mineralischen Bauwerkstoffen optimiert. Allerdings kann der Bohrer auf ein Armierungseisen treffen. Der Bohrfortschritt ist dann sehr gering.

US6640205 beschreibt einen Bohrhammer, der während des Abbaus eines Untergrunds rücklaufende Stoßwellen in dem Bohrer untersucht. Basierend auf den Stoßwellen wird eine Materialzusammensetzung des Untergrunds ermittelt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren ist für eine bohrmeißelnde Handwerkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Untergrunds mittels eines Bohrers. Die Handwerkzeugmaschine hat einen Werkzeughalter zum Haltern eines Bohrers auf einer Arbeitsachse, einen Drehantrieb zum Drehen des Werkzeughalters um die Arbeitsachse und ein Schlagwerk zum Ausüben von Schlägen auf den Bohrer aufweist. Das Steuerungsverfahren hat die Schritte: Überlagern eines periodischen Schlagens auf den Bohrer mit einer Schlagzahl und eines Drehens des Werkzeughalters mit einer Drehzahl in einer Drehrichtung; Ermitteln eines Materials des von dem Bohrer bearbeiteten Untergrunds; und Einstellen der Drehzahl und/oder Drehrichtung basierend auf dem ermittelten Materials, wobei bei einem eisenbasierten Material die Drehzahl auf einen ersten Wert und eine erste Drehrichtung eingestellt werden, bei einem mineralischen Material die Drehzahl auf einen zweiten Wert und eine zweite Drehrichtung eingestellt werden und wobei der erste Wert geringer als der zweite Wert ist oder die erste Drehrichtung linksläufig und die zweite Drehrichtung rechtsläufig ist.

Die Handwerkzeugmaschine erkennt zunächst, welches Material aktuell durch den Bohrer bearbeitet wird. Bei mineralischem Material wird die Handwerkzeugmaschine in dem Standardbetrieb mit typischerweise maximaler Schlagleistung und Drehleistung betrieben. Bei eisenbasiertem Material wird die Drehleistung reduziert. Das Bohrmehl wird nicht mehr effektiv aus dem Bohrloch gefördert. Ein Teil des mineralischen Bohrmehls verbleibt in der Nähe des Bohrkopfs, was zu einem effektiveren Abbau des eisenhalten Materials, z.B. des Armierungseisens, beiträgt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Schlagzahl des Schlagwerks unabhängig von Drehzahl und/oder Drehrichtung ist. Vorzugsweise unterscheidet sich bei eisenbasiertem Material und bei mineralischem Material die Schlagzahl um weniger als 20%. Ein effektiver Abbau sowohl des mineralischen als auch den eisenbasierten Material wird bei maximaler Schlagleistung erreicht. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Umsetzwinkel des Werkzeughalters zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlägen bei der ersten Drehzahl zwischen 1 Grad und 10 Grad und bei der zweiten Drehzahl größer 30 Grad ist. Eine erfindungsgemäße Handwerkzeugmaschine hat einen Werkzeughalter zum Haltern eines bohrmeißelnden Bohrers auf einer Arbeitsachse, einen Elektromotor, ein Schlagwerk, das einen längs der Arbeitsachse mit einer Schlagzahl bewegten Schläger aufweist, einen Drehantrieb, der den Werkzeughalter mit einer Drehzahl in einer Drehrichtung drehend antreibt. Eine Stelleinrichtung ist zum Einstellen der Drehzahl und/oder Drehrichtung des Drehantriebs unabhängig von der Schlagzahl des Schlagwerks eingerichtet. Die Handwerkzeugmaschine kann selbsttätig oder durch den Anwender veranlasst die Drehzahl oder Drehrichtung ändern, um diese in geeigneter Weise dem Untergrund anzupassen; in beiden Betriebsmodi unterstützt durch ein effizient schlagendes Schlagwerk. Das Schlagwerk ist vorzugsweise ein von dem Elektromotor angetriebenes pneumatisches Schlagwerk.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Bohrhammer Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben. AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen Bohrhammer 1 als Beispiel für eine schlagende handgehaltene Werkzeugmaschine. Der Bohrhammer 1 hat einen Werkzeughalter 2, in welchen koaxial zu einer Arbeitsachse 3 ein Bohrer, Meißel oder anderes schlagendes Bohrer 4 eingesetzt und verriegelt werden kann. Der Bohrhammer 1 hat ein pneumatisches Schlagwerk 5, welches periodisch Schläge in einer Schlagrichtung 6 auf der Bohrer 4 ausüben kann. Ein Drehantrieb 7 kann den Werkzeughalter 2 kontinuierlich um die Arbeitsachse 3 drehen. Das pneumatische Schlagwerk 5 und der Drehantrieb sind von einem Elektromotor 8 angetrieben, welcher aus einer Batterie 9 oder einer Netzleitung mit elektrischem Strom gespeist wird.

Das Schlagwerk 5 und der Drehantrieb 7 sind in einem Maschinengehäuse 10 angeordnet. Ein Handgriff 11 ist typischerweise an einer dem Werkzeughalter 2 abgewandten Seite des Maschinengehäuses 10 angeordnet. Der Anwender kann den Bohrhammer 1 mittels des Handgriffs 11 im Betrieb halten und führen. Ein zusätzlicher Hilfsgriff kann nahe dem Werkzeughalter 2 befestigt werden. An oder in der Nähe des Handgriffs 11 ist ein Betriebstaster 12 angeordnet, welchen der Anwender vorzugsweise mit der haltenden Hand betätigen kann. Der Elektromotor 8 wird durch Betätigen des Betriebstasters 12 eingeschaltet. Typischerweise dreht sich der Elektromotor 8 solange, wie der Betriebstaster 12 gedrückt gehalten ist.

Der Bohrer 4 ist in dem Werkzeughalter 2 längs der Arbeitsachse 3 beweglich. Beispielsweise hat der Bohrer 4 eine längliche Nut, in welche eine Kugel oder ein anderer Sperrkörper des Werkzeughalters 2 eingreift. Der Anwender hält der Bohrer 4 in einer Arbeitsstellung, indem der Anwender der Bohrer 4 mittelbar durch den Bohrhammer 1 an einen Untergrund anpresst. Der Bohrer 4 hat einen Bohrkopf aus gesintertem Metallkarbid und eine Wendel zum Abtransport von Bohrgut aus dem Bohrloch.

Der Werkzeughalter 2 ist an einer Spindel 13 des Drehantriebs 7 befestigt. Der Werkzeughalter 2 kann sich gegenüber dem Maschinengehäuse 10 um die Arbeitsachse 3 drehen. Klauen oder andere geeignete Mittel in dem Werkzeughalter 2 übertragen ein Drehmoment von dem Werkzeughalter 2 auf der Bohrer 4. Das pneumatische Schlagwerk 5 hat längs der Schlagrichtung 6 einen Erreger 14, einen Schläger 15 und einen Döpper 16. Der Erreger 14 wird mittels des Elektromotors 8 zu einer periodischen Bewegung längs der Arbeitsachse 3 gezwungen. Der Erreger 14 ist über eine Getriebekomponente 14 zum Umsetzen der Drehbewegung des Elektromotors 8 in einer periodische, translatorische Bewegung entlang der Arbeitsachse 3 angebunden. Eine beispielhafte Getriebekomponente beinhaltet ein Exzenterrad oder eine Taumelscheibe. Eine Periode der translatorischen Bewegung des Erregers 14 ist durch die Drehzahl des Elektromotors 8 und ggf. ein Untersetzungsverhältnis in der Getriebekomponente 14 vorgeben.

Der Schläger 15 koppelt über eine Luftfeder an die Bewegung des Erregers 14 an. Die Luftfeder ist durch eine zwischen dem Erreger 14 und dem Schläger 15 abgeschlossene pneumatische Kammer 17 gebildet. Der Schläger 15 bewegt sich in die Schlagrichtung 6 bis der Schläger 15 auf den Döpper 16 aufschlägt. Der Döpper 16 liegt in der Schlagrichtung 6 an dem Bohrer 4 an und überträgt den Schlag auf der Bohrer 4. Die Periode der Bewegung des Schlägers ist identisch zu der Periode der Bewegung des Erregers 14. Der Schläger 15 schlägt somit mit einer Schlagzahl, die gleich dem Inversen der Periode ist. Das Wirkprinzip der Luftfeder setzt enge Grenzen für die Periode bzw. die Schlagzahl, da die Effizienz der pneumatischen Kopplung auf eine im Wesentlichen resonante Anregung angewiesen ist. Bei einer Abweichung von mehr als 20 % von einer optimalen Schlagzahl folgt der Schläger 15 typischerweise nicht mehr der Bewegung des Erregers 14. Die optimale Schlagzahl ist durch die Masse des Schlägers 15 und die geometrischen Abmessungen der pneumatischen Kammer 17 vorgegeben. Eine optimale Schlagzahl liegt im Bereich zwischen 25 Hz und 100 Hz.

Das beispielhafte Schlagwerk 5 hat einen kolbenförmigen Erreger 14 und einen kolbenförmigen Schläger 15, die durch ein Führungsrohr 18 längs der Arbeitsachse 3 geführt sind. Der Erreger 14 und der Schläger 15 liegen mit ihren Mantelflächen an der Innenfläche des Führungsrohrs 18 an. Die pneumatische Kammer 17 ist durch den Erreger 14 und den Schläger 15 längs der Arbeitsachse 3 und durch das Führungsrohr 18 in radialer Richtung abgeschlossen. Dichtungsringe in den Mantelflächen von Erreger 14 und Schläger 15 können den luftdichten Abschluss der pneumatischen Kammer 17 verbessern. Der Erreger 14 wird durch den Elektromotor 8 angetrieben. Ein Exzenterrad 19 oder ein anderer Umsetzer setzt die Drehbewegung des Elektromotor 8 in die periodische Translationsbewegung des Erregers 14 um. Das Exzenterrad 19 ist über einen Teilstrang 20 eines Antriebsstrangs 21 mit dem Elektromotor 8 verbunden. Der Drehantrieb 7 beinhaltet die Spindel 13, welche koaxial zu der Arbeitsachse 3 angeordnet ist. Die Spindel 13 ist beispielsweise hohl, und das Schlagwerk 5 ist innerhalb der Spindel angeordnet. Der Werkzeughalter 2 ist auf der Spindel 13 aufgesetzt. Der Werkzeughalter 2 kann über einen Verschlussmechanismus lösbar oder dauerhaft mit der Spindel 13 verbunden sein. Die Spindel 13 ist über ein untersetzendes Getriebe 22 an den Elektromotor 8 angebunden. Die Drehzahl der Spindel 13 ist geringer als die Drehzahl des Elektromotors 8. Zwischen das untersetzende Getriebe 22 und die Spindel 13 kann eine Rutschkupplung 23 geschaltet sein.

Die Spindel 13 dreht sich vorzugsweise kontinuierlich mit einer vorgegebenen Drehzahl. Die Drehzahl ist durch das untersetzende Getriebe 22 vorgegeben. Das untersetzende Getriebe 22 hat zwei unterschiedliche Untersetzungen. Die erste Untersetzung ist optimiert für den Abbau von mineralischem Gestein mit einem herkömmlichen Bohrer 4. Die Drehzahl der Spindel 13 liegt bei der ersten Untersetzung im Bereich zwischen 200 Umdrehungen pro Minute (U/min) und 1000 U/min und die Spindel 13 dreht rechtshändig. Mit der von dem untersetzenden Getriebe 22 unabhängigen Schlagzahl des pneumatischen Schlagwerks 5 dreht sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlägen der Bohrers 4 um einen Umsetzwinkel von mehr als 30 Grad, z.B. mehr als 30 Grad, höchstens 75 Grad. Der typische Umsetzwinkel bewirkt einen effizienten Abtransport von Bohrgut aus dem Bohrloch mit den herkömmlichen Bohrern 4.

Die zweite Untersetzung ist für den Abbau von eisenbasierten Materialien, z.B. einem Armierungseisen, vorgesehen. Die Drehzahl ist gegenüber der ersten Untersetzung stark reduziert, beispielsweise liegt die Drehzahl unter 20 U/min. Das Schlagwerk 5 schlägt überlagert zu der Drehbewegung periodisch mit einer Schlagzahl von mehr als 5 Schlägen pro Sekunde auf der Bohrer 4. Ein Umsetzwinkel des Bohrers 4 zwischen zwei Schlägen liegt vorzugsweise unter 10 Grad, beispielsweise unter 5 Grad, vorzugsweise über 1 Grad. Die Wendel des Bohrers 4 transportiert weniger oder kein Bohrgut mehr aus dem Bohrloch. Alternativ kann die zweite Untersetzung einen Linkslauf der Spindel 13 bewirken. Der Bohrer 4 fördert das Bohrgut in das Bohrloch anstatt es herauszufordern. Das in dem Bohrloch verbleibende Bohrgut erweist sich als vorteilhaft zum Abtragen des Armierungseisens mit dem Bohrer 4. Der Anwender kann vorzugsweise das untersetzende Getriebe 22 mit einem Wahlschalter 24 betätigen. Der Anwender erkennt beispielsweise an einem sich schlagartig verringerndem Bohrfortschritt, dass ein Armierungseisen bearbeitet, bzw. bei einem sich schlagartig erhöhenden Bohrfortschritt, dass wieder mineralisches Material bearbeitet wird. Der Wahlschalter 24 hat wenigstens zwei Schaltstellungen. Eine erste Schaltstellung ist für den überlagert bohrenden und meißelnden Abbau von mineralischen Material; eine zweite Schaltstellung ist für den überlagert bohrenden und meißelnden Abbau von eisenhaltigem Material. In der ersten Schaltstellung wird das untersetzende Getriebe 22 in die erste Untersetzung und in der zweiten Schaltstellung wird das untersetzende Getriebe 22 in die zweite Untersetzung umgeschaltet. Die Schlagzahl des pneumatischen Schlagwerks 5 ist in beiden Schaltstellungen gleich oder näherungsweise gleich, vorzugsweise arbeitet das Schlagwerk 5 in beiden Schaltstellungen mit der höchsten Effizienz oder höchsten Abbauleistung. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Laufrichtung der Spindel 13 in der zweiten Schaltstellung auf einen Linkslauf gestellt, um den Abtransport des Bohrguts zu verringern.

Fig. 1 illustriert ein beispielhaftes untersetzendes (Schalt-) Getriebe 22 in der Form eines Stirnradgetriebes. Auf einer antreibenden Welle sind zwei Ritzel 25 mit unterschiedlichem Durchmesser befestigt; auf einer abtreibenden Welle sind zwei Zahnräder 26 gelagert. Die Zahnräder sind beispielweise dauerhaft in Eingriff mit einem der beiden Ritzel. Ein Ziehkeil 27 koppelt jeweils eines der Zahnräder an die abtreibende Welle an. Der Ziehkeil kann gleichermaßen an der antreibenden Welle angeordnet sein. Ferner kann ein Schalten des Getriebes 22 durch ein axiales Verschieben der Ritzel oder Zahnräder erfolgen. Das Getriebe kann ebenso durch ein Planetengetriebe realisiert sein. Zwei der Komponenten aus Hohlrad, Planetenträger und Sonnenrad sind mit der antreibenden Welle und der abtreibenden Welle verbunden. Eine schaltbare Bremse lässt verbleibende dritte Komponente je nach Schaltstellung frei drehen oder hemmt deren Drehung.

Eine Stelleinrichtung 28 kann das Getriebe 22 manuell umschalten. Die Stelleinrichtung 28 enthält beispielsweise den Wahlschalter 24. Ein mechanisches Gestänge überträgt die Stellung des Wahlschalters 24 auf das Getriebe 22. Die Stelleinrichtung 28 kann alternativ das Getriebe 22 mittels eines Aktor 29 schalten. Der Aktor 29 kann elektromagnetisch, piezoelektrisch, hydraulisch, pneumatisch etc. ausgebildet sein. Der Aktor 29 betätigt den Ziehkeil 27, verschiebt die Ritzel oder Zahnräder, oder aktiviert die Bremse. Die Stelleinrichtung 28 kann das Getriebe 22 automatisch schalten. Ein Sensor 30 erkennt die geeignete Untersetzung für das Getriebe 22 und schaltet das Getriebe 22 mit dem Aktor 29. Der Bohrhammer 1 kann automatisch den Untergrund erkennen, auf welchen der Bohrer 4 aufschlägt. Die Schläge des Bohrers 4 auf das mineralische Gestein sind stärker gedämpft als die Schläge des Bohrers 4 auf die eisenhaltigen Armierungseisen. Der Bohrer 4 und der Bohrhammer 1 erfahren somit eine andere rückwirkende Kraft bei den beiden Materialien. Die Vibrationen in dem Bohrhammer 1 sind bei einem eisenhaltigen Material deutlich höher als bei dem Gestein. Der beispielhafte Bohrhammer 1 hat den Sensor 30 zum Erfasssen von Vibrationen. Der Sensor 30 ist vorzugsweise starr mit dem Schlagwerk 5 oder dem Maschinengehäuse 10 verbunden. Ein beispielhafter Sensor 30 hat einen freischwingenden Arm, auf dem ein piezoelektrischer Polymerfilm aufgebracht ist. Der Arm erzeugt angeregt durch die Schwingungen ein elektrisches Signal, welches der Sensor 30 auswertet. Der Sensor 30 kann ein Beschleunigungssensor sein, welche als Maß für Vibrationen Beschleunigungswerte ausgibt. Der Sensor kann ebenso ein Mikrophon sein, vorzugsweise zum Erfassen von Geräuschen im Infraschall.

Der Sensor 30 vergleicht die Vibrationen mit einem Schwellwert. Ein Überschreiten des Schwellwerts wird einem Bohren von eisenhaltigem Material und ein Unterschreiten des Schwellwerts wird einem Bohren von mineralischem Material zugeordnet. Der Schwellwert hängt von der Schlagleistung des Schlagwerks 5 ab und kann durch Versuchsreihen ermittelt werden. Der Sensor 30 oder ein Mikroprozessor 31 kann die Auswertung der Vibrationen vornehmen. Der Schwellwert kann in dem Mikroprozessor 31 hinterlegt sein. Anstelle des einfachen Vergleichs mit einem Schwellwert kann anhand eines komplexeren Fingerabdrucks das Bohrern 4 von Gestein von dem Bohren von eisenhaltigem Material diskriminiert werden. Die Vibrationen können in ein oder mehreren Frequenzbändern ermittelt werden. Ein Frequenzband hat beispielsweise die Schlagzahl als mittlere Frequenz und beispielsweise eine Bandbreite von maximal der Hälfte der Schlagzahl. Ebenso kann die erste harmonische Frequenz der Schlagzahl als mittlere Frequenz eines Frequenzbands sein.

Der Bohrhammer 1 schaltet automatisch das untersetzende Getriebe 22 in Abhängigkeit des von dem Sensor 30 erkannten Materials. Insbesondere, ist eine schnelle Reduktion der Drehzahl erwünscht, wenn der Bohrer 4 auf ein Armierungseisen trifft. Andernfalls kann der Bohrer 4 noch das Bohrgut vollständig aus dem Bohrloch fördern. Der Sensor 30 übermittelt ein entsprechendes Steuersignal an den Aktor 29.

Der Abtransport des Bohrguts aus dem Bohrloch kann auch Ändern der Drehrichtung des Bohrers 4 unterbunden werden. Aufgrund der rechtsläufigen Händigkeit der Bohrerwendel fördern die Bohrer 4 das Bohrgut nur bei einem Rechtslauf des Werkzeughalters 2 aus dem Bohrloch. Das Bearbeiten des Armierungseisens kann anstelle oder zusätzlich zu einer reduzierten Drehzahl mit einem Linkslauf des Werkzeughalters 2 erfolgen. Der Wechsel der Drehrichtung kann beispielsweise durch den Elektromotor 8 erfolgen, da Schlagwerk 5 im Wesentlichen unabhängig von der Drehrichtung des Elektromotors 8 arbeitet. Das Getriebe 22 hat keinen Einfluss auf die Drehzahl des Exzenter 19 bzw. der Bewegung des Erregers 14. Der Antriebsstrang 21 verzweigt sich in einen ersten Teilstrang 20 für das pneumatische Schlagwerk 5 und in einen zweiten Teilstrang 32 für die Spindel 13. Das Getriebe 22 ist in dem zweiten Teilstrang 32 angeordnet.