BR112016014502B1

BR112016014502B1 - ferramenta elétrica para o aperto de um prendedor e método de aperto de um prendedor

Info

Publication number: BR112016014502B1
Application number: BR112016014502-0A
Authority: BR
Inventors: Erik George Baker; Erik Vilhelm Persson; Kristoffer Felix Wadman
Original assignee: Atlas Copco Industrial Technique Ab
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2021-05-04
Also published as: CN105899332B; JP2017501896A; EP3083148B1; BR112016014502A2; CN105899332A; KR20160099693A; JP6714511B2; WO2015091987A1; KR102332080B1; US20160318164A1; US10232497B2; EP3083148A1

Abstract

FERRAMENTA ELÉTRICA PARA APERTO DE UM PRENDEDOR E UM MÉTODO. A invenção se refere a uma ferramenta elétrica e a um método para aperto de um prendedor compreendendo um meio de medição de ângulo (101) para a medição de um ângulo de rotação (a) do prendedor e um meio de medição de torque (102) para a medição do torque (T) entregue ao prendedor durante um aperto. Um processador (103) é disposto para o cálculo de uma energia de aperto (Et) necessário para se completar o aperto do prendedor a partir do ângulo de rotação medido até um ângulo alvo predeterminado, em que a energia de aperto é calculada com base no ângulo de rotação medido (a), no ângulo alvo (at) e na rigidez (k) da junta. A ferramenta compreende um motor (104) conectado a partes rotativas da ferramenta elétrica para comando do aperto do prendedor. Um regulador (105) é conectado ao motor para a regulagem da velocidade de rotação (ômega) do motor para a provisão de uma energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação à energia de aperto necessária (Et).

Description

[001] A invenção refere-se geralmente a uma ferramenta elétrica para aperto de um prendedor, e a um método de aperto de um prendedor.

Antecedentes

[002] Os prendedores são usados para a formação de juntas em processos de montagem diferentes, em que as ferramentas elétricas podem ser usadas para o aperto desses prendedores. Em geral, é desejável aumentar a velocidade e a acurácia no aperto de prendedores. Um outro aspecto importante é melhorar a ergonomia durante uma operação da ferramenta elétrica.

[003] Previamente, os prendedores usualmente têm sido apertados até um torque predeterminado, sem qualquer consideração com a energia usada durante o processo de aperto. De modo a aumentar a acurácia de aperto, a velocidade tinha que ser diminuída durante a etapa final de aperto após um aperto final. Desse modo, as forças de reação exercidas em um operador podem ser relativamente altas.

[004] Para redução deste problema, o WO 2009/011633 A1 expõe um regulador para uma ferramenta elétrica, em que o prendedor de uma junta é apertado até um torque alvo predeterminado. O regulador é disposto para o cálculo da quantidade de energia que é necessária para se alcançar o torque alvo predeterminado. Assim, uma velocidade alta pode ser usada durante um aperto, desse modo se reduzindo as forças de reação exercidas sobre um operador da ferramenta.

[005] Contudo, durante um aperto de prendedores, pode haver variações no atrito entre juntas diferentes, o que pode afetar o torque necessário para aperto da junta. Assim, quando do controle do aperto com base em um torque alvo, pode haver variações na força de grampeamento devido a estas variações de atrito.

[006] Adicionalmente a isto, quando se usam altas velocidades de rotação para a provisão da energia de rotação necessária para o aperto ergonomicamente favorável de prendedores, calor pode ser gerado em uma interface entre partes rotativas e estacionárias da junta. Devido a isto, o coeficiente de atrito na interface pode ser afetado. Assim, quando se controla o torque para atingir um torque alvo predeterminado, pode haver uma variação no ângulo final, dependendo de fatores geométricos da junta, em combinação com essas variações de atrito. Assim, a força de grampeamento resultante, que é um fator de qualidade muito importante da junta, pode variar com base nestes fatores.

[007] Variações no atrito na interface podem ser, por exemplo, reduzidas pela redução da velocidade de rotação durante um aperto, mas isto é desvantajoso, uma vez que diminui a velocidade de aperto e pode resultar em o operador ser submetido a forças de reação mais altas.

Sumário da Invenção

[008] Um objetivo da presente invenção é prover um aperto rápido e favorável ergonomicamente de um prendedor, enquanto se reduzem os efeitos sobre a força de grampeamento e a manutenção de uma acurácia alta na força de grampeamento.

[009] Assim, a invenção se refere a uma ferramenta elétrica para aperto de um prendedor compreendendo um meio de medição de ângulo para medição de um ângulo de rotação (α) do prendedor e um meio de medição de torque para a medição do torque (T) entregue ao prendedor durante um aperto. Um motor é conectado às partes rotativas da ferramenta elétrica para comando do aperto do prendedor. A ferramenta ainda compreende ou é conectada a um meio para cálculo de uma energia de aperto (Et) necessária para se completar o aperto do prendedor a partir do ângulo de rotação medido até um ângulo alvo predeterminado. A energia de aperto é calculada com base no ângulo de rotação medido (α), no ângulo alvo e na rigidez (k) da junta. Um regulador é conectado ao motor para a regulagem da velocidade de rotação (ω) do motor, para a provisão de energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação da energia de aperto necessária (Et).

[010] Desse modo, um aperto rápido e ergonomicamente favorável de um prendedor pode ser obtido, enquanto se reduzem os efeitos de atrito sobre a força de grampeamento e, assim, mantendo-se uma alta acurácia. Uma velocidade alta de aperto pode ser usada durante um período de tempo mais longo durante um aperto, e pode ser mantido pelo aperto final.

[011] A rigidez (k) da junta pode ser definida como a taxa de torque por ângulo de rotação do prendedor, k = ΔT/Δα.

[012] O regulador pode ser disposto para regular de forma contínua ou intermitente a velocidade (ω) do motor durante um aperto.

[013] Desse modo, a regulagem da velocidade de rotação pode ser atualizada dinamicamente durante o aperto, para levar em consideração as variações e os desvios, por exemplo, de um comportamento linear.

[014] O regulador conectado ao motor para a regulagem da velocidade de rotação (ω) do motor pode ser um regulador em cascata, por exemplo, compreendendo um regulador de velocidade para a regulagem da velocidade conectada a um regulador de corrente para a regulagem da corrente de acionamento do motor, de modo a se controlar a velocidade de rotação.

[015] A energia de aperto (Et) necessária para se completar o aperto do prendedor pode ser estimada como: Et = k(αt2 - α2)/2. em que k é a taxa de torque (rigidez da junta), αt é o ângulo alvo e α é o ângulo de rotação medido.

[016] Desse modo, uma aproximação linear é usada para o cálculo da energia de aperto necessária.

[017] A energia de rotação (Er) em partes rotativas da ferramenta, conectada ao motor, pode ser descrita como: Er = J ω2/2 em que ω é a velocidade de rotação e J é o momento de inércia das partes rotativas na ferramenta elétrica.

[018] A velocidade de rotação (ω) necessária para a provisão da energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação à energia de aperto necessária (Et) assim pode ser calculada como: ω = SQRT (k(αt2 - α2)/J). em que ω é a velocidade de rotação, a raiz quadrada, k é a taxa de torque (rigidez da junta), αt é o ângulo alvo, α é o ângulo medido real e J é o momento de inércia de partes rotativas na ferramenta elétrica. O momento de inércia de partes rotativas na ferramenta elétrica pode ser medido ou calculado para uma ferramenta elétrica em particular.

[019] A velocidade de rotação pode ser mantida em um nível alto até a energia de aperto necessária ser menor do que a energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta elétrica. Desse modo, um aperto rápido e ergonomicamente favorável de um prendedor pode ser obtido.

[020] A ferramenta elétrica pode ser configurada para interromper o aperto no ângulo alvo predeterminado de rotação do prendedor.

[021] O ângulo alvo e o ângulo medido podem ser definidos a partir de um aperto final em um ângulo de aperto final α0, isto é, definindo um ângulo zero.

[022] Desse modo, a rigidez da junta pode ser estimada por uma taxa de torque linear a partir do aperto final, e o cálculo da energia de aperto pode ser feito com base nesta taxa de torque.

[023] Os termos antes do aperto final podem ser definidos como um ângulo abaixo do ângulo de aperto final, e os termos após o aperto final podem ser definidos como em um ângulo maior do que o ângulo de aperto final.

[024] Há algumas formas alternativas de definição do ângulo de aperto final. O aperto final pode ser definido, por exemplo, como um limite de torque. Como uma alternativa, o aperto final pode ser definido por um joelho na relação de torque - ângulo. O ângulo de aperto final pode ser definido como um ângulo projetado linear α1 ao longo da relação de torque - ângulo acima de um aperto final correspondente ao torque zero na relação de torque - ângulo. Alternativamente, o ângulo de aperto final pode ser definido como o ângulo α2 de passagem por aproximações lineares da relação de torque - ângulo antes e depois de um aperto final.

[025] O ângulo alvo é predeterminado em relação a um prendedor em particular e às condições da junta.

[026] O ângulo alvo pode ser uma ou mais voltas de rotação do prendedor e/ou partes de voltas. O ângulo alvo pode ser de pelo menos 10, 30, 50, 70, 90, 120 graus e/ou menos do que 150, 180, 210, 270, 360, 720 graus ou mais do aperto final.

[027] A invenção ainda se refere a um conjunto de ferramenta elétrica, compreendendo uma ferramenta elétrica, um meio para o cálculo da energia de aperto (Et) e um regulador, conforme exposto aqui.

[028] A invenção ainda se refere a um método de aperto de um prendedor, que compreende as etapas de: - medição de um ângulo (α) de rotação do prendedor, - medição do torque (T) entregue ao prendedor, - cálculo de uma energia de aperto (Et) necessária para se completar o aperto do prendedor a partir do ângulo de rotação medido até um ângulo alvo predeterminado, em que a energia de aperto é calculada com base no ângulo de rotação medido α e na rigidez (k) da junta, - regulagem da velocidade de rotação (ω) do motor para a provisão de energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação à energia de aperto necessária (Et), - aperto do prendedor por meio da energia de rotação provida.

[029] As etapas de método podem ser iteradas de forma contínua ou intermitente durante um aperto.

[030] Desse modo, um aperto rápido e ergonomicamente favorável de um prendedor pode ser obtido, enquanto se reduzem os efeitos de atrito sobre a força de grampeamento e a manutenção de uma alta acurácia.

[031] Outros recursos e vantagens da invenção serão evidentes a partir das figuras e a partir da descrição detalhada da(s) modalidade(s) mostrada(s).

Breve Descrição dos Desenhos

[032] Na descrição detalhada a seguir, uma referência é feita aos desenhos associados, dos quais: A figura 1 mostra um exemplo de uma ferramenta elétrica. A figura 2 mostra um gráfico de torque - ângulo e ângulo de rotação. A figura 3 mostra um exemplo de um método de aperto de um prendedor.

Descrição Detalhada da Modalidade Mostrada da Invenção

[033] A figura 1 mostra uma ferramenta elétrica 100 para aperto de prendedores. Na modalidade mostrada, a ferramenta elétrica é um tensor de ângulo, mas a invenção também se refere a um tensor do tipo de pistola ou tensores retos. A ferramenta compreende um corpo 106 a ser mantido por um operador ou por um acessório. Um cabeçote de ferramenta 107 conectado ao corpo é configurado para o recebimento de um prendedor para aperto pela ferramenta. Um motor 103 é conectado a partes rotativas da ferramenta elétrica para comando do cabeçote de ferramenta e, assim, para aperto do prendedor. As partes rotativas podem compreender partes rotativas do motor em si, eixos, engrenagens, etc., isto é, a massa combinada que é rodada na ferramenta elétrica durante um aperto. Estas partes rotativas têm uma inércia rotativa J combinada, a qual pode ser calculada ou medida para uma ferramenta elétrica.

[034] A ferramenta compreende um meio de medição de ângulo 101 para a medição de um ângulo de rotação α do prendedor. O meio de medição de ângulo pode ser um codificador de ângulo.

[035] Ainda, um meio de medição de torque 102, por exemplo, um sensor de torque, é disposto para a medição do torque T entregue para o prendedor durante um aperto. Na modalidade mostrada, o meio de medição de torque é disposto entre o motor 103 e o cabeçote de ferramenta 107 da ferramenta elétrica. Contudo, pode ser disposto em qualquer lugar ao longo da linha de acionamento e também pode ser disposto para a medição do torque de reação na ferramenta.

[036] A ferramenta compreende uma unidade de processamento 104. Como uma alternativa, a unidade de processamento é compreendida por um acionador em separado configurado para acionamento da ferramenta, conectado à ferramenta elétrica. O acionador pode ser eletricamente conectado à ferramenta com fio, ou conectado de forma sem fio à ferramenta. A unidade de processamento é conectada ao meio de medição de ângulo 101 e ao meio de medição de torque 102 para o recebimento de medições sobre ângulo de rotação e torque. A unidade de processamento 104 é configurada para o cálculo da energia de aperto Et necessária para se completar o aperto do prendedor a partir do ângulo de rotação medido até um ângulo alvo predeterminado. A energia de aperto Et é calculada como: Et = k(αt2 - a2)/2, em que k é a taxa de torque por ângulo (rigidez da junta, k = ΔT/Δα) , αt é o ângulo alvo e α é o ângulo de rotação medido. Assim, a energia de aperto é calculada com base no ângulo de rotação medido α, o ângulo alvo e a rigidez k da junta.

[037] A unidade de processamento 104 é ainda configurado para o cálculo de uma velocidade de rotação w do motor para a provisão de uma quantidade de espaço de energia de rotação Er na ferramenta elétrica, na forma de inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta, para adequação à energia de aperto Et necessária. A energia de rotação Er nas partes rotativas da ferramenta conectada ao motor é calculada como: Er = J ω2/2 em que ω é a velocidade de rotação e J é o momento de inércia das partes rotativas na ferramenta elétrica.

[038] Pelo equacionamento da energia de aperto Et com a energia de rotação Er, a velocidade de rotação ω necessária assim pode ser calculada como: ω = SQRT (k(αt2 - α2)/J).

[039] Se a velocidade de rotação necessária para a adequação à energia de aperto Et for mais alta do que a velocidade de rotação máxima ωm da ferramenta, a velocidade de rotação ω do motor poderá ser limitada a uma velocidade de rotação máxima ωm.

[040] A ferramenta elétrica ainda compreende um regulador 105 para a regulagem da velocidade de rotação do motor 103. O regulador é disposto para a regulagem da velocidade para a velocidade de rotação calculada ω, limitada pela velocidade de rotação máxima ωm. Alternativamente, o regulador é compreendido por um acionador conectado à ferramenta e configurado para controlar a ferramenta. Desse modo, as medições de torque e ângulo de rotação podem ser transmitidas para o acionador, em que a velocidade de rotação ω é calculada conforme exposto aqui, e sinais de controle para a regulagem do motor são transmitidos de volta para o motor na ferramenta elétrica.

[041] A operação da ferramenta elétrica é ilustrada na figura 2, que mostra um gráfico de uma relação de torque - ângulo durante um aperto, e incluindo a velocidade de rotação ω.

[042] Inicialmente, em um ângulo de rotação baixo, o torque T medido pelo meio de medição de torque é baixo, abaixo de um limite T0. Esta é a fase de parada, em que o aperto real do prendedor ainda não começou. No fim da fase de parada, o torque começa a aumentar, o que pode ser visto como um joelho na relação de torque - ângulo. Isto é definido como um “aperto final”, no ângulo de aperto final α0 (definindo o ângulo zero nos cálculos). O ângulo de aperto final pode ser detectado por um nível de limite T0 do torque. Como uma alternativa, um aperto final pode ser definido pela detecção de um joelho na relação de torque - ângulo, isto é, pela monitoração do gradiente da relação de torque - ângulo.

[043] Acima do nível de aperto final, o torque aumenta enquanto se roda o prendedor, indicado por uma taxa de torque k = ΔT/Δα. k pode ser calculada durante um aperto ou pode ser conhecida para um prendedor específico em condições específicas. Nesta fase, a velocidade de rotação é calculada pela equação da energia de aperto Et com a energia de rotação Er, conforme descrito acima. Inicialmente (conforme mostrado na figura 2), a velocidade de rotação pode ser limitada pela velocidade de rotação máxima ωm, mas, conforme o aperto prossegue, em um ângulo αx a energia de rotação na ferramenta é estimada para ser capaz de completar o aperto para o ângulo alvo αt. Após isso, a velocidade de rotação é continuamente reduzida pela energia de rotação sendo usada para se apertar o prendedor. O cálculo é frequentemente atualizado conforme o aperto prossegue, por exemplo, a uma frequência de 4 kHz, para a regulagem dinamicamente da velocidade de rotação para se levarem em consideração os efeitos não lineares no sistema de fixação.

[044] Conforme o prendedor é rodado em direção ao ângulo alvo αt, a velocidade de rotação continuamente diminui, de forma ideal alcançar zero no ângulo alvo αt. Depois disso, o aperto é descontinuado. Depois disso, a velocidade de rotação durante a fixação pode ser mantida em um nível máximo até a energia de rotação na ferramenta ser suficiente para se completar o aperto até o ângulo alvo αt. Depois disso, o aperto é rápido, e os efeitos de forças de reação na ferramenta elétrica são reduzidos, melhorando a ergonomia da ferramenta. A qualidade do aperto é adicionalmente melhorada pela redução dos efeitos de atrito sobre o resultado do aperto. Após isso, a acurácia na força de grampeamento é melhorada.

[045] A operação da ferramenta elétrica é adicionalmente descrita em relação à figura 3, mostrando as etapas de método de um método 300 de aperto de um aperto. O método compreende as etapas de medição (301) de um ângulo de rotação do prendedor, e medição 302 do torque entregue ao prendedor. A energia de aperto Et necessária para se completar o aperto do prendedor a partir do ângulo de rotação medido até um ângulo alvo predeterminado ser calculado 303. A energia de aperto é calculada como exposto acima, com base no ângulo de rotação medido α e na rigidez k da junta. A velocidade de rotação w do motor é regulada 304 para a provisão de energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação à energia de aperto necessária (Et). O aperto 305 do prendedor é completado por meio da energia de rotação provida. O processo é continuamente iterado até o aperto do prendedor. O aperto é interrompido 306 no ângulo alvo predeterminado de rotação do prendedor.

Claims

1. Ferramenta elétrica (100) para o aperto de um prendedor, compreendendo: um meio de medição de ângulo (101) para medição de um ângulo de rotação (α) do prendedor, um meio de medição de torque (102) para medição do torque (T) entregue para o prendedor durante um aperto, e um motor (104) conectado a partes rotativas da ferramenta elétrica para comando do aperto do prendedor, em que a ferramenta elétrica compreende ou é conectada a um processador (103) para o cálculo de uma energia de aperto (Et) necessária para se completar o aperto do prendedor a partir do ângulo de rotação medido (α) até um ângulo alvo predeterminado (αt), um regulador (105) conectado ao motor para a regulagem da velocidade de rotação (ω) do motor para a provisão de energia de rotação (Er) na forma de uma inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação à energia de aperto necessária (Et), a ferramenta elétrica (100) caracterizada pelo fato de que a energia de aperto é calculada com base no ângulo de rotação medido (α), no ângulo alvo (αt) e na rigidez (k) da junta e pelo fato de que a ferramenta elétrica é configurada para interromper o aperto no ângulo alvo predeterminado de rotação (αt) do prendedor, o ângulo alvo (αt) sendo definido a partir do aperto final em um ângulo de aperto final (α0).

2. Ferramenta elétrica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a rigidez (k) da junta é calculada a partir do torque medido (T) e do ângulo de rotação (α) como a taxa de torque por ângulo de rotação do prendedor, k = ΔT/Δα.

3. Ferramenta elétrica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de o regulador regular de forma contínua ou intermitente a velocidade (®) do motor durante um aperto.

4. Ferramenta elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a velocidade de rotação (®) necessária para a provisão de energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa (J) nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação à energia de aperto necessária (Et) é calculada como: ω = SQRT (k(αt2 - α2) /J).

5. Ferramenta elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a velocidade de rotação é mantida em um nível alto, até a energia de aperto necessária ser menor do que a energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa nas partes rotativas da ferramenta elétrica.

6. Método (300) de aperto de um prendedor, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: - medição (301) de um ângulo (α) de rotação do prendedor, - medição (302) do torque (T) entregue ao prendedor, - cálculo (303) de uma energia de aperto (Et) necessária para se completar o aperto do prendedor a partir do ângulo de rotação medido (α) até um ângulo alvo predeterminado (αt), em que a energia de aperto é calculada com base no ângulo de rotação medido (α), no ângulo alvo e na rigidez (k) da junta, - regulagem (304) da velocidade de rotação (®) do motor para a provisão de energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa (J) nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação à energia de aperto necessária (Et), - aperto (305) do prendedor por meio da energia de rotação provida, e - interrupção (306) do aperto no ângulo alvo predeterminado de rotação (αt) do prendedor, o ângulo alvo (αt) sendo definido a partir do aperto final, em um ângulo de aperto final (α0).

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a rigidez (k) da junta é a taxa de torque por ângulo de rotação do prendedor, k = ΔT/Δα.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que a velocidade de rotação é regulada de forma contínua ou intermitente durante um aperto.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que a velocidade de rotação (ω) necessária para a provisão de energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa (J) nas partes rotativas da ferramenta elétrica para adequação à energia de aperto necessária (Et) é calculada como: ω= SQRT (k(αt2 - α2) /J).

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que a velocidade de rotação é mantida em um nível alto, até a energia de aperto necessária ser menor do que a energia de rotação (Er) na forma de inércia rotativa (J) nas partes rotativas da ferramenta elétrica.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 10, caracterizado pelo fato de que a energia de aperto (Et) necessária para se completar o aperto é calculada com base na rigidez (k) da junta após o aperto final