DE3222066A1

DE3222066A1 - Elektrisches handwerkzeug mit einer schaltung zur drehzahleinstellung und drehmomentbegrenzung

Info

Publication number: DE3222066A1
Application number: DE19823222066
Authority: DE
Inventors: Siegfried 6225 Johannisberg Huber; Manfred 6200 Wiesbaden Merkator
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 1982-06-11
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1983-12-15
Also published as: DE3222066C2; FR2528639A1; FR2528639B1

Description

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Elektrisches Handwerkzeug mit einer Schaltung zur Drehzahleinstellung und Drehmomentbegrenzung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Handwerkzeug, insbesondere eine Handbohrmaschine oder einen Schrauber, mit einer Schaltung zur Drehzahleinstellung und mit einer Drehmomentbegrenzung.

Bei Handbohrmaschinen, die mit einer eingespannten Schrauberklinge zum Ein- und Ausdrehen von Schrauben benutzt werden, findet sich neben einer Möglichkeit zur elektrischen Einstellung der Drehzahl häufig auch eine Möglichkeit, das maximale Drehmoment begrenzen zu können. Dann können Schrauben mit dem jeweils gewünschten Drehmoment angezogen werden. Entsprechendes gilt für das Schneiden von Gewinden und andere Arbeiten.

Trotz vielseitiger Möglichkeiten soll die Bedienung solcher Handwerkzeuge möglichst einfach sein und Fehlbedienungen und Gefährdungen möglichst ausschließen. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem elektrischen Handwerkzeug der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentbegrenzung schaltbar ist und daß bei eingeschalteter Drehmomentbegrenzung automatisch eine verringerte Drehzahl eingestellt wird. Bei einem Schrauber oder einer als Schrauber verwendeten Handbohrmaschine soll nämlich mit einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl gearbeitet werden, um das Eindrehen von Schrauben und in ähnlicher Weise das Schneiden von Gewinden fachgerecht ausführen zu können. Aus Unachtsamkeit oder Unkenntnis wird aber häufig versäumt, bei solchen Arbeiten eine verringerte Drehzahl einzuschalten. Erfindungsgemäß wird dagegen automatisch bei Einschaltung der Drehmomentbegrenzung auch eine niedrige Drehzahl eingestellt.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter-

ansprüche. So kann bei einem Handwerkzeug mit. einem in Phasenanschnittsteuerung betriebenen Universalmotor mit einer Drehzahlsteuer- oder Drehzahl regelschaltung, die ein an einer Gleichspannung liegendes Potentiometer zur i> Sollwerteinstellung der Drehzahl verwendet, vorgesehen sein, daß beim Einschalten der Drehmomentbcgrenzung die dem Potentiometer zugeführte Spannung verringert wird. Diese Spannungsverringerung hat die gleiche Wirkung wie eine Einstellung des Potentiometers auf eine niedrigere Spannung und damit Drehzahl. Die Spannungsverringerung kann dabei beispielsweise so gewählt sein, daß sich eine Verringerung der Drehzahl auf die Hälfte ergibt.

Zweckmäßig kann die Schaltung zur Drehmomentbegrenzung eine erste Kippstufe enthalten, der eine dem Drehmoment proportionale Spannung zugeführt ist und die bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes aus einem ersten in einen zweiten stabilen Zustand kippt, wobei der Ausgang' der Kippstufe nur im ersten stabilen Zustand eine Gleich-" spannung an das Potentiometer liefert. Wenn dann der vorgegebene Schwellenwert erreicht wird und demgemäß das maximale Drehmoment, so schaltet die Kippstufe in den zweiten stabilen Zustand und das Potentiometer zur Sollwerteinstellung der Drehzahl wird spannungslos. Das hat die Abschaltung des Motors durch die Steuer- oder Regelschaltung zur Folge.

Die dem Drehmoment proportionale Spannung kann beispielsweise durch eine direkte elektrische Messung unter Verwendung von Drucksensoren erfolgen. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht jedoch vor, daß die dem Drehmoment proportionale Spannung aus dem Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand im Motorstromkreis durch Gleichrichten mittels eines einen Operationsverstärker enthaltenden Gleichrichters abgeleitet ist. Da ein solcher Gleichrichter in bekannter Weise auch schon bo:i sehr klein.fu Spannungen arbeitet, braucht der Shunt-Widerstand nur einen sehr kleinen Wert zu haben. Eine weitere Ausbil-

dung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kippstufe einen ersten Operationsverstärker enthält, an dessen invertierendem Eingang die dem Drehmoment proportionale Spannung und an dessen nicht invertierendem Eingang eine einstellbare, den Drehmoment-Sollwert darstellende Bezugsspannung liegt. Zwischen dem Ausgang und dem nicht invertierenden Eingang ist eine Diode so geschaltet, daß sie beim Übergang der ersten Kippstufe in den zweiten stabilen Zustand leitet und dann die Kippstufe in diesem Zustand festhält. Es genügt demgemäß ein kurzzeitiges Übersteigen des eingestellten Maximaldrehmoments, um den Motor dauernd auszuschalten.

In Weiterbildung der Erfindung wird empfohlen, daß eine zweite Kippstufe vorgesehen ist, der die einstellbare, den Drehmoment-Sollwert darstellende Bezugsspannung zugeführt ist und die bei Einstellen einer Drehmomentbegrenzung aus einem ersten in einen zweiten stabilen Zustand" kippt, und daß die Ausgangsspannung der zweiten Kippstufe im ersten stabilen Zustand die erste Kippstufe im ersten stabilen Zustand festhält und im zweiten stabilen Zustand eine Verringerung der dem Potentiometer zugeführten Spannung bewirkt. Damit läßt sich zum einen die Einstellung einer Drehmomentbegrenzung ohne zusätzlichen Schalter erreichen, weil die zweite Kippstufe leicht so eingestellt werden kann, daß sie schon bei einer kleinen, den Drehmoment-Sollwert darstellenden Bezugsspannung in den zweiten stabilen Zustand kippt und dann das Ansprechen der ersten Kippstufe ermöglicht. Zum anderen wird gleichzeitig beim Schalten der zweiten Kippstufe in den zweiten stabilen Zustand die Drehzahlreduzierung durch Verringerung der dem Potentiometer zugeführten Spannung bewirkt.

Für die praktische Verwirklichung sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die zweite Kippstufe einen· zweiten Operationsverstärker enthält, an dessen invertierendem Eingang die den Drehmoment-So] !wert darstellende Spannung und an dessen nicht invertierendem Eingang

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eine feste Spannung liegt, die kleiner als die Bezugsspannung bei dem kleinsten einstellbaren Drehmoment-Sollwert ist. Ferner wird der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers über eine im ersten stabilen Zustand gleitende Diode mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers verbunden, und der Ausgang des ersten Operationsverstärkers ist über einen Widerstand und der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers über eine in dessen zweiten stabilen Zustand leitende Diode und einen Reihenwiderstand mit dem Einspeisepunkt des Potentiometers verbunden.

■ . - ■ Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, die das Schaltbild für eine elektrische Handbohrmaschine zeigt.

in der dargestellten Schaltung ist der Motor der Bohrmaschine ein Universalmotor, also ein Kollektormotor mit einem Anker 1 und Feldwicklungen 2. Die Stromrichtung im Anker 1 läßt sich mit Hilfe eines zweipoligen Umschalters 3 umkehren. Die Speisung des Motors 1, 2 erfolgt vom Netzanschluß über einen im Handgriff angeordnungen Tastschalter 5. Außerdem liegen ein Triac 6 und ein Shunt-Widerstand 7 im Hauptstromkreis. Zur Leistungs- und damit Drehzahleinstellung ist eine nicht im einzelnen Dargestellte Steuerschaltung 8 vorgesehen, die in Form eines integrierten Schaltkreises handelsüblich ist. Die Steuerschaltung 8 erzeugt aus der über die Leitung 9 zugeführten Netzspannung eine interne Botriebsgleichspannung +Vcc, die über die Leitung 10 herausgeführt ist. Die Phasenlage der dem Triac 6 über die Leitung zugeführten Zündimpulse und damit die an den Motor 1, 2 angelegte Effektivspannung wird durch eine Gleichspannung bestimmt, die der Steuerschaltung 8 über eine Leitung 12 zugeführt wird.

Die Messung des vom Motor 1 , 2 gelieferten Drehmoment.·.

erfolgt unter Messung des zugeführten Effektivstroms, der durch den Shunt-Widerstand 7 fließt. Die dort abfallende Spannung wird Überleitungen 13, 14 einer Drehmoment-Begrenzungsschaltung 15 in einem gestrichelten Kästchen zugeführt. Innerhalb der Begrenzungsschaltung 15 gelangt der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand 7 über zwei Widerstände 16, 17 an den invertierenden bzw. nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 18, der zusammen mit Dioden 19, 20 sowie einem Widerstand 21 und einem Kondensator 22 in bekannter Weise einen schon bei sehr kleinen Spannungen arbeitenden Gleichrichter bildet. Die am Ausgang 23 des Gleichrichters erzeugte positive Spannung, die durch den Kondensator 22 geglättet ist, wird über einen Widerstand 24 dem invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 25 zugeführt, der zusammen mit einer Diode 26 zwischen seinem Ausgang 27 und seinem nicht invertierenden Eingang eine Kippstufe bildet. Am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25 liegt außerdem eine einstellbare positive Spannung, die an einem Potentiometer 28 mit Vorwiderständen 29, 30 abgegriffen und aus der Betriebsgleichspannung +Vcc abgeleitet wird.

Mit dem Potentiometer 28 wird das maximale Drehmoment eingestellt, bei dem die Begrenzung stattfinden soll. Die Einstellung bewirkt das Anlegen einer bestimmten positiven Bezugsspannung an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25. Solange die vom Gleichrichter 18 bis 22 am Ausgang 23 gelieferte Spannung kleiner als diese ßezugsspannung ist, befindet sich der Ausgang 27 des Operationsverstärkers 25 auf einer hohen positiven Spannung, die etwa gleich der Spannung Vcc ist. Die Diode 26 sperrt dann und die positive Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 25 wird über einen Vorwi (!erstand 32 einem Potentiometer 33 zugeführt, das auf der anderen Seite über einen weiteren Vorwiderstand 34 an der gemeinsamen Bezugsleitung 14 liegt. Mittels

des Potentiometers 33 kann dann der Steuerschaltung in der üblichen Weise eine einstellbare Gleichspannung über die Leitung 12 zugeführt werden, die eine Leistung*- und Drehzahlregelung des Motors 1, 2 bewirkt.

Übersteigt die vom Gleichrichter an seinem Ausgang 23 gelieferte Spannung die Bezugsspannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25, so erscheint an dessen Ausgang 27 eine sehr niedrige Spannung, die praktisch gleich der Spannung auf der Bezugsleitung 14 ist. Die Diode 26 leitet, so daß der Operationsverstärker 25 in diesem Zustand festgehalten wird. Da das potentiometer 33 jetzt nicht mehr an einer positiven Spannung liegt, schaltet die Steuerschaltung 8 den Triac 6 und damit dem Motor 1, 2 aus. Auf diese Weise wird bei einem bestimmten, am Potentiometer 28 eingestellten Drehmoment das Ausschalten erreicht.

Zur Einschaltung der Drehmomentbegrenzung und gleichzeitig Reduzierung der Drehzahl bei eingeschalteter Drehmomentbegrenzung ist eine Schaltungsanordnung 40 in einem gestrichelten Kästchen vorgesehen. Die Schaltungsanordnung 40 weist eine zusätzliche Kippstufe mit einem Operationsverstärker 41 auf. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 41 ist mittels eines Spannungsteilers mit den Widerständen 42, 43 auf einer kleinen positiven Spannung gegenüber der Bezugsleitung 14 gehalten. Dem invertierenden Eingang wird über einen Widerstand die am Potentiometer 28 abgegriffene Spannung zugeführt. Ein Gegenkopplungswiderstand 45 stellt die Verstärkung des Operationsverstärkers 41 ein.

Der Spannungsteiler mit den Widerständen 42, 43 ist so ausgelegt, daß die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 41 etwas größer als die Spannung am invertierenden Eingang ist, solange sich der Schleifer des Potentiometers 28 an dem in der Zeichnung unteren Anschlag befindet. In dieser Stellung des Pol ent" i o-

meters 28 ist die Drehmomentbegrenzung ausgeschaltet, weil der Ausgang 46 des Operationsverstärkers 41 etwa auf der Spannung Vcc ist und über eine dann leitende Diode 47 verhindert, daß die Kippstufe mit dem Operationsver-•5 stärker 25 über den Gleichrichter mit dem Operationsverstärker 18 beeinflußt werden kann. Der Ausgang 27 des Operationsverstärkers 25 bleibt demgemäß auf hoher positiver Spannung, und auch ein hoher Motorstrom bewirkt keine Ausschaltung.

Sobald dagegen der Schleifer des Potentiometers 28 aus seiner Ruhelage herausbewegt wird, übersteigt die Spannung am invertierenden j^.ngang des Operationsverstärkers 41 die Spannung am nicht invertierenden Eingang. Dann geht der Ausgang 46 des Operationsverstärkers 41 auf niedrige Spannung, die etwa gleich dem Potential der gemeinsamen Bezugsleitung 14 ist. Dann sperrt zum einen die Diode 47 und die Kippstufe mit dem Operationsverstärker 25 * kann auf die Ausgangsspannung des Gleichrichters mit dem Operationsverstärker 18 ansprechen. Zum anderen wird dem Potentiometer 33 mit seinem Vorwiderstand 34 über eine Diode 48 ein Widerstand 49 parallel geschaltet. Wegen des gemeinsamen Vorwiderstandes 32 sinkt dann die Speisespannung für das Potentiometer 33 ab, was einer Verschiebung des Zündzeitpunktes für den Triac 6 in Richung auf kleinere Leistung bzw. kleinere Drehzahl entspricht. Die Bauteilwerte können dabei zweckmäßig so gewählt sein, daß sich jeweils eine Reduzierung auf die halbe Drehzahl ergibt.

Claims

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--^:B&R-eEN · KRAMHTT^ ZWIRNER . HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radedcestraßo 43 8000 München 60 Telefon (089) 883605/883604 Telex 05-2123T3 Telegramme Patonlconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palenlconsrill

Black & Decker Inc. Case 4172

Newark, Del. 19711, USA

Patentansprüche

Elektrisches Handwerkzeug, insbesondere Handbohrmaschine oder Schrauber, mit einer Schaltung zur Drehzahleinstellung und mit einer Drehmomentbegrenzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentbegrenzung schaltbar ist (28, 41, 47) und daß bei eingeschalteter Drehmomentbegrenzung automatisch eine verringerte Drehzahl eingestellt wird.
2. Handwerkzeug nach Anspruch 1, mit einem in Phasenanschnittsteuerung betriebenen Universalmotor (1, 2) und mit einer Drehzahlsteuer- oder Drehzahlregelschaltung (8), bei der ein an einer Gleichspannung liegendes Potentiometer (33) zur Sollwerteinstellung der Drehzahl verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Einschaltung der Drehmomentbegrenzung die dem Potentiometer (33) zugeführte Spannung verringert wird.
3. Handwerkzeug nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (15) zur Drehmomentbegrenzung eine erste Kippstufe (25) enthält, der ' eine dem Drehmoment proportionale Spannung zugeführt ist und die bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes

München: R, Kramer Dipl.-Ing, -W. Weser Dipl,-Phys. Dr. rer. nat, · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr, jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pät.-Anyv. bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Inq.

aus einem ersten in einen zweiten stabilen Zustand kippt, und daß der Ausgang (27) der Kippstufe (25) nur im ersten stabilen Zustand eine Gleichspannung an das Potentiometer (33) liefert.
4. Handwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Kippstufe (25) zugeführte, dem Drehmoment proportionale Spannung aus dem Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand (7) im Motorstromkreis durch Gleichrichten mittels eines einen Operationsverstärker (.18) enthaltenden Gleichrichters abgeleitet ist.
5. Handwerkzeug nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kippstufe einen ersten Operationsverstärker (25) enthält, an dessen invertierendem Eingang die dem Drehmoment proportionale Spannung und an dessen nicht invertierendem Eingang eine einstellbare (28), den Drehmoment-Sollwert darstellende Bezugsspannung liegt, und daß eine Diode (26) zwischen dem Augang (27) und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (25) mit einer solchen Polung geschaltet ist, daß sie beim Übergang der ersten Kippstufe in den zweiten stabilen Zustand leitet und die Kippstufe in diesem Zustand festhält.
6. Handwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kippstufe (41) vorgesehen ist, der die einstellbare (28), den Drehmoment-Sollwert darstellende Bezugsspannung zugeführt ist und die bei Einstellen einer Drehmomentbegrenzung aus einem ersten in einen zweiten stabilen Zustand kippt, und daß die Ausgangsspannung der zweiten Kippstufe (41) im ersten stabilen Zustand die erste Kippstufe (25) im ersten stabilen Zustand festhält und im zweiten stabilen Zustand eine Verringerung der dem Potentiometer (33) zugeführten Spannung bewirkt.
7. Handwerkzeug nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kippstufe einen zweiten Operationsverstärker (41) enthält, an dessen invertierendem Eingang die den Drehmoment-Sollwert darstellende Spannung und an dessen nicht invertierendem Eingang eine feste Spannung liegt, die kleiner als die Bezugsspannung bei dem kleinsten einstellbaren Drehmoment-Sollwert ist, daß der Ausgang (46) des zweiten Operationsverstärkers (41) über eine im ersten stabilen Zustand leitende Diode (47) mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (25) verbunden ist, und daß der Ausgang (27) des ersten Operationsverstärkers (25) über einen Widerstand (32) und der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (41) über eine in dessen zweitem stabilen Zustand leitende Diode (48) und einen Reihenwiderstand (49) mit dem Einspeisepunkt des Potentiometers (33) verbunden sind.