避免手动送进的工具机工具卡死故障的方法和设备的制作方法

专利名称：避免手动送进的工具机工具卡死故障的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在手动送进的工具机用旋转工具工作时避免因工具卡死引起故障的方法和设备，尤其是冲击钻机，它配备有一个断路器，断路器根据扭转传感器测得的工作状态信号，切断驱动电机对工具的作用。
对于手动送进的工具机尤其是那些大功率的如冲击钻机来说，首先遇到的问题便是所谓的旋转故障，亦即由于工具突然卡死并因而作用在机器上的反扭矩迅速增加，造成手腕受伤或导线、支架等坠落。在例如小册子EP-A-0150669和WO-DE88-00109中，给出了解决这一问题的许多现有的装置。
由第一个小册子已知，在工具机的外壳内设有一个小的封闭容器，容器内装有一种导电的液体，如汞，有一个恒磁场通过这一液体。当由于上述绕钻杆轴线的反作用力矩使外壳或多或少突然扭转时，在所装的导电物质与容器或固定的恒磁场之间产生一个相对运动，从而在此物质中感应一个电压，它被耦合并例如根据超过某个极限值时松开离合器，从而中断从工具机的驱动电机往钻杆的传动路线。
在第二个小册子中提出了基本原理类似的建议，亦即使用一个装在外壳里面或外壳上的扭转传感器，它测量手动送进工具机外部摆动的扭转距离和/或速度和/或加速度作为运动参量，并在必要时根据不同的预定准则为一个操纵离合器加载，此操纵离合器也是中断驱动电机与钻杆之间的传动路线。扭转传感器实际上是一个弹簧加载的机械式惯性开关，它直接操纵此操纵离合器。
这两种基本思路类似的已知方案存在的问题在于，当按要求使用机器，例如冲击钻机，在非均质成分的混凝土中工作时，保险离合器发生误脱离。这是与迄今所有已知的方案中主要使用了一种被动式的信号处理装置有关，尤其在此运动传感器和促动器组合成一个部件时，并采用纯机械式的或电-机式工作原理的情况下。
本发明的目的是要改进本文开始所述类型的手动送进工具机，一方面在允许的和会导致旋转故障的危险的反力矩之间给出了更好的识别准则，另一方面可以提前脱开保险或断路装置，从而在总体上提高了这种手持工具的工作安全性。
本发明涉及一种在手动送进的工具机用旋转工具工作时避免因工具卡死引起故障的方法，尤其是对于冲击钻机，它配备有一个断路器，断路器根据扭转传感器测得的工作状态信号，切断驱动电机对工具的作用，按本发明其特征为，在给定的时间常数下，根据扭转传感器所提供的旋转运动参数，预见性地算出一个最大允许的工具机扭转角，并在一旦算得的预期扭转角超过了最大允许的扭转角值，便使断路器进入工作。
因此，本发明以有关机器未来特性的一种预见性判据的概念为基础，所以可以在工具机达到一个无法再避免发生故障的过大的动量矩之前，采取预防措施。
对于扭转传感器，首先想到例如具有很短的动作时间的旋转加速度传感器或微型机械式加速度计，在它的测量信号超过可以预定的基准值时，通过在时间常数范围内作两次最好限制频带的积分，换算成预期的扭转角。
为了减少始终存在的低频或高频干扰的影响，按本发明还规定将有效频带限制在频率下限的数值范围为0.5至10Hz，频率上限的范围约从100Hz至数量级为1000Hz。
作为断路器，类似于上面介绍的已知方案，首先考虑一种电磁式离合器，亦即是一种摩擦离合器、盘式离合器或也可以是牙嵌离合器，它们可以切断将储存在电机转子中的功能，冲击式地作用在被卡住的钻杆上。通过多种多样的测量顺序、经验和试验确定，对于所提到的断路器(此外还与此仪器的类型有关)，有5至20毫秒的离合器脱开时间可供使用。离开器脱开通常可与电机的电流同时中断相结合。对于转子较轻的小型机器，在离合器所在位置也可考虑采用一种快速作用的制动装置，必要时，当根据扭转传感器的信号预先算出的扭转角，相对于使用者所保持的瞬时工作角向位置，超过了一个预先规定的最大允许扭转角例如40至75°时，仍然结合电流的立即切断。
一种设在用旋转工具的手动送进工具机中避免由于工具卡死引起故障的装置，尤其是冲击钻机，它配备有一个断路器，断路器根据扭转传感器测得的工作状态信号，切断驱动电机对工具的作用，按本发明的这种装置其特征为，设有一个计算装置，计算装置根据由扭转传感器提供的超出一个可预先规定的基准值的传感器信号，在固定的时间区间内，算出工具机预期扭转角，并在超出预定的最大扭转角时，可通过接口使断路器工作。
计算装置最好是一种具有上述极限频率的限制频带的滤波装置。作为扭转传感器，原则上可是各种传感元件或传感装置，例如旋转加速度传感器，尤其是微型机械式加速度计、转速传感器或扭矩传感元件。但按目前认识水平，旋转加速度计或旋转加速度传感器最好其过渡状态持续时间小于1毫秒。
下面借助于附图表示的实施例进一步说明本发明及其有优点的详情。其中，图1 说明作为本发明基础的为避免旋转故障所需的预见性处理概念基本作用的方块图;
图2示意表示作为手动送进工具机举例的冲击钻机，其中，按本发明需要的部件标有与图1中相应的号码，并描上黑点;
图3在使用加速度计作为传感器时进行预期信号计值的作用方块图;
图4在图3的结构内使用限制频带的积分器时传递函数变化曲线;
图5在微处理机自动编码的超前信号分析情况下的原程序框图;以及图6按本发明进行超前信号分析模拟程序解的线路设计。
下面参考


预先避免因手动送进工具，尤其是冲击钻机的旋转工具突然卡死引起故障的设备，以及属于此设备的规则系统或数据处理线路。
由图1可见，手动送进工具机M的工作状态至少由一个传感器来监控，它可以是旋转加速度传感器1a，尤其是一个微型机械式加速度计，一个转角传感器(转速传感器)1b，一个行程传感器(移动传感器)等，或可以是一个扭矩传感器1n，传感器的信号经信号生成装置，A/D转换装置等的输入接口2，到达电子数字处理单元3，它可以是一个微处理机，一个实施不连续开关电路技术的微控制器，一个信号处理机等，在其中进行以模型为基础或以控制为基础的算法，在传感器1a至1n工作时，此算法预报机器的工作状态。一个以模型为基础的算法的实例在下面还要进一步说明。
当检测到存在潜在的故障时，通过输出接口4使一个或多个促动器进入工作，它们例如是离合器5a(它切断驱动电机7和工具卡头或工具8之间的驱动路线)、电流断路器5b和/或制动器5m。这些促动器5有效地避免出现预报的或预先算出的损害事件，尤其是可能的旋转故障。一旦机器M被确证处于对操作者为安全的状态，则机器M可立即按操作要求继续工作。
在图2中表示的实施例，是惯性旋转加速度传感器1与积分放大器、带AD转换器和数字式接口3和DA接口4的可编程序的微控制器3、半导体电流开关6和电磁操纵的离合器5的组合。
在工作时由于工具8突然卡死产生绕轴9的急剧的反作用，按本发明可通过预见性的计算限制到小于60°的安全值。此外，旋转加速度传感器1测得绕轴9的旋转加速度，其中，传感器1的动态特性相应于所提出的问题必须足够快，其过渡过程持续时间通常应小于1毫秒。这种尤其在微型机械式装置中的旋转加速度传感器是已知的，并且可以在市场上买到，尤其是还有在形式上设计为微分电容器的，它的中间电极由加速度计的惯性摆的质量构成，所以加速度计可以直接接入测量线路中。传感器1放大后的信号经AD接口2读入微控制器3中，并由下面还要详细说明的数值算法进一步处理。
图3的线路图中表示了数据处理的基本原理;数据处理用来预报机器M在相应的传感器信号的情况下的特性。设计为低通滤波器10的输入滤波器，用来减少高频干扰。经两次积分后，其中积分器11和12以恰当的时刻为起点，由信号并考虑实际允许的常数加速度的假定，算出当时t加上一个预定的或可预定的时间区间t时预期的扭转角。此所谓预见的或超前的时间常数t必须这样选择，即一方面要有采取安全措施所足够的时间，但另一方面应作出更可靠的预测。一旦预测的扭转角在数量上超过了预定的(或可预定的)最大扭转角，通过微控制器3的DA转换的输出接口4，使相应的促动器放大器进入工作。此放大器一方面操纵最好设计为快速半导体开关的电流断路器6，它立即切断向机器M驱动电机7的电流输入，另一方面操纵电磁式离合器5，它脱开驱动电机7的转子与通向工具8的驱动线路之间的联系。因此，一方面做到没有附加的电能供入机器中，另一方面保证已经储存在电机7转子中的动能不再导致机器M产生不希望的扭转。
在使用旋转加速度传感器的情况下，按本发明超前概念的数学基础是在区间t(当前时间)至(t+τ)中假设为常数的加速度u(t)和转角φ(t)、角速度ω(t)的当前值作为初始条件的双重积分。即(dω(t))/(dt) = (d2φ(t))/(dt2) =u(t)加速度u(t)由旋转加速度传感器1测得，并例如与一个常数预定值u0作比较。然后，对于从t至(t+τ)的区间适用于此假定u(t)＝u0。由此得出
对于实际转角ψ(t+τ)的预估算值 (t+τ)越准确，对加速度u(t)作出的假定满足得越好。此外，按本发明有意义的和实际上在所有的情况下必要的是，减小始终存在的低频或高频干扰。
按本发明经过实际检验的实施形式表示在图3的方块图中，其中积分器11和12设计为限制频带的积分器，也就是说，对于低频，这些元件的放大被限制为一个有限值。这是很重要的，因为这样一来在正常工作时始终存在的操作者缓慢的手动运动(这种运动不会导致机器M的紧急切断)不会操纵积分器11和12。此外，当加速度传感器1只具有准静态特性时，例如采用一种压电式加速度传感器作为传感器1时，限制频带的积分器11，12还可以消除线路的行程漂移。
限制频带的积分器的数学描述通常用传递函数GI(s)= (Ti)/(Tis+1)式中参数TI由下式TI= 1/(ωu)给出，ωu表示频率，从频率ωu起应取得一种积分特性。
通常在用手动送进的钻孔机工作时，很大的加速度峰值会感应出很高的频率。为了使这一峰值不会导致保险装置误脱开(电流断开，离合器脱开)，合乎目的并在实际上通常需要的是，将信号中从一个较高的角频率ω0起的部分过滤掉。此传感器1输入信号的频带宽度限制由在图3中表示为“低通滤波器”的方块10来实现。
在按本发明所采用的有效频带范围内用对数的角频率ω来描述的座标化复杂传递函数示意表示在图4中。边界ωu和ω0视应用情况而不同。对于图中所表示的手动送进钻孔机的实施例，适用于下列参考值0.5Hz＜ωu＜10Hz100Hz＜ω0＜1000Hz对其它类型的手动送进工具机相应的参考值，显然可由专家通过实验方便地确定。
实现按图3作用方块图的信号处理线路，或借助于微处理机通过软件程序(图5)，或设计为模拟的电路(图6)来实现。
图5表示一个时间控制的中断使用程序的程序框图，此程序用来计算在方块20(程序段1)中说明的超前线路的离散系统方程，线路中包括必要的滤波器，例如曾提到的低通滤波器。此程序框图以一个固定的周期循环运算。离散化必须按所选周期来进行。
在方块21(程序段30)中换存状态参数。
在方块22(程序段31)中，首先启动用于与加速度成比例的信号的AD接口2的AD转换器。一旦AD转换结束，信号通过计算机(控制器3)读入。
在方块23(程序段32)中，与输入信号直接有关的部分加上在最后一刻算得的值。如此算出的数值y，在方块24(判定长斜方形)中检查是否超过正的和/或负的门槛值，并在必要时打开促动器，尤其是离合器5(方块25;程序段34)。
在方块26和27(程序段35和36)中，根据规定的条件和现在已经可算出的信号y中的部分“temp”，计算下一个时刻的状态参数。
在方块28中，亦即在末端(程序段37)返回后台程序，在其中实施其他各种功能，直至下一次中断启动另一个计算步骤(时刻)时为止。
对与图3的原理方块图工作原理相同的电子线路设计图6，在下面进行对专业人员来说足以满足要求的简短说明。
与加速度成比例的电压信号加在入口J1上，并通过低通滤波器U1到第一个限制频带的积分器U2(图3中的积分器11)，并从那里进一步输往第二个限制频带的积分器U3(图3中的积分器12)。在图示的情况下，预定的时间常数由可调的RC元件确定。低通滤波器U1和积分器U2和U3的输出信号通过求和放大器U4，加在一个由前置电阻确定的数中。求和放大器U4的输出信号一方面交付输出J2，另一方面通过两个比较器U9和U10检查是否超过正的或负的最大值，其中，在图示的情况下，负的最大值可以通过反向放大器U7规定。比较器U9和U10的输出信号，给予各由两个“与非”元件构成的触发器FF1或FF2。触发器FF1或FF2的输出信号由光致二极管D1或D2显示。此外触发器FF1、FF2的两个输出信号被用于接通离合器5。
总之，与迄今已知的所有解决手动送进工具机潜在的旋转故障问题的方案相比，本发明的优点是，通过最好作为微处理机可编程序的数据处理来实现的“超前”或预见性判定的概念，可以预言机器未来的特性，并因而可以在机器具有过大的动量矩和故障不再能避免之前起作用。由于非常快速的求值逻辑，操作者的愿望可以正确体现，以便在检测出潜在的故障并紧接着采取安全措施后，立即重新达到所希望的工作状态。还有一个突出的优点，即通过程序可以容易地做到持续的或周期性的自动检验(Self-Test)，以及准确地动作和获得与老化无关的释放特性。
对于本发明的一种具体结构例如有以下必要的元件-一个加速度传感器(作为微电子线路的一部分，是压电的、压阻的、以惯性为基础的和/或积分的);
-一个数据处理单元，或借助于运算放大器，二极管等来模拟实现(见图6)，或借助于微处理机与相应的过程接口数字化(见图1和5);
-一个或多个促动器(Aktuatoren)，用来切断驱动电机与工具之间的连系，例如是一个电磁式摩擦离合器，最好与一个电流断路器相连。
权利要求
1.手动送进的工具机用旋转工具(8)工作时，避免因工具卡死引起故障的方法，尤其是冲击钻机，它配备有一个断路器(5、6)，断路器根据扭转传感器(1)测得的工作状态信号，切断驱动电机(7)对工具(8)的作用，其特征为在给定的时间常数(τ)，根据扭转传感器(1)所提供的旋转运动参数，预见性地算出一个工具机(M)允许的最大扭转角，一旦所算得的预期的扭转角超过了允许的最大扭转角值，便使断路器(5、6)进入工作。
2.按照权利要求1所述之方法，其特征为采用旋转加速度传感器作为扭转传感器(1)，在它的测量值(u(t))超过可预先规定的基准值(u0)时，通过在时间常数(τ)的期间进行两次积分，换算成预期的扭转角。
3.按照权利要求2所述之方法，其特征为加速度传感器的信号在积分前积分过程中进行频带限制。
4.按照权利要求3所述之方法，其特征为有效频带的频率上限ω0选在数量级10e1至10e4Hz的范围内。
5.按照权利要求3或4所述之方法，其特征为有效频带的频率下限ωu选在数量级(10e-1)至10e1Hz的范围内。
6.按照前述诸权利要求之一所述之方法，其特征为作为断路器(5)，使用一个处于从驱动电机(7)到工具(8)传动路线中的离合器。
7.按照权利要求1至5之一所述之方法，其特征为作为断路器(5)，使用一个电磁式制动器。
8.按照前述诸权利要求之一所述之方法，其特征为采用电流断流器(6)作为断路器，它切断对电机的电流供应。
9.在用旋转工具的手动送进工具中避免因工具卡死引起故障的装置，尤其是冲击钻机，它配备有一个断路器(5、6)，断路器根据扭转传感器(1)测得的工作状态信号，切断驱动电机(7)对工具(8)的作用，其特征为没有一个计算装置(3)，它根据由扭转传感器(1)提供的超过可预先规定的基准值(u0)的传感器信号(u(t))，在固定的时间区间，算出预期的工具机扭转角，当超过规定的最大扭转角时，可通过接口(4)使断路器(5、6)进入工作。
10.按照权利要求9所述之装置，其特征为扭转传感器是一个旋转加速度计。
11.按照权利要求9或10所述之装置，其特征为断路器是一个设在驱动电机(7)与工具(8)之间传动路线中的离合器。
12.按照权利要求10所述之装置，其特征为旋转加速度计是一种压电的、压阻的或微型机械式的旋转加速度计。
13.按照权利要求10所述之装置，其特征为旋转加速度计设计为电-微型机械的组合电路板，它的摆(Pendel)构成差动电容器的中央电极。
14.按照权利要求10至13之一所述之装置，其特征为计算装置(3)包含两个串联的限制频带的积分器(11、12)。
15.按照权利要求14所述之装置，其特征为在第一个积分器(11)前设置一个低通滤波器(10)，其中，由计算装置(3)处理的总的有效频带的频率界限，在频率下限ωu为0.5Hz＜ωu＜10Hz与频率上限ω0为100Hz＜ω0＜1000Hz之间。
全文摘要
手动送进的工具机用旋转工具工作时，避免因工具卡死引起故障的方法和装置，尤其是冲击钻机，它有一个断路器(5、6)，断路器根据扭转传感器(1)测得的工作状态信号，切断驱动电机(7)对工具(8)的作用。因此，远在达到最大扭转角之前，将断路器脱开，尤其是一个与电流断流器(6)相连的电磁式离合器(5)，从而切断了储存在驱动电机(7)转子中的动能和由此引起的扭矩作用在机器(M)上。这样就能显著提高防止旋转故障的可靠性。
文档编号B23B47/00GK1111334SQ94119909
公开日1995年11月8日 申请日期1994年12月27日 优先权日1993年12月28日
发明者利诺·古泽拉 申请人:希尔蒂股份公司