CN101396810B - 冲击电动工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冲击电动工具，其包括通过使用电机的输出功率对输出轴施加打击冲击的冲击机构。打击检测单元检测由所述冲击机构施加的所述打击冲击以获得打击时序，并且打击速度检测单元由通过所述打击检测单元获得的打击时序以及由旋转角度检测单元获得的所述电机的旋转角度而计算打击速度。控制单元计数由所述打击检测单元检测的所述打击冲击的次数并且在所述打击冲击的次数达到预定打击次数时停止所述电机。所述控制单元被设计为在所述打击速度检测单元中获得的所述打击速度等于或低于指定打击速度时校正所述预定打击次数。

Description

冲击电动工具

技术领域

本发明涉及一种诸如冲击扳手或冲击起子的冲击电动工具，用于拧紧(和松开)螺纹物体，例如，螺栓和螺母。

背景技术

冲击电动工具被设计为通过使用由电机输出功率旋转的锤对输出轴(砧座)施加旋转打击冲击而执行拧紧作业。由于冲击电动工具以高速操作并且具有增加的扭矩，其已经被广泛应用于建筑场所、制造工厂等等。日本专利特许公开H5-200677公开了一种冲击电动工具，其中通过计数打击的次数并随后确定这样计数的打击次数是否达到对应于期望的拧紧扭矩的值而实现在达到期望的扭矩时自动停止所述工具操作的关断功能。

通过锤的旋转速度(即，电机的旋转速度)确定冲击电动工具的最大拧紧力，其中锤的旋转速度依次取决于驱动功率源的电压。为此，如果仅通过使用打击次数执行关断，则可能在需要管理螺栓和螺母的拧紧扭矩的工厂生产中不可能进行该管理。这是因为，由于连续操作，随着用作驱动功率源的电池电压逐渐减小，拧紧扭矩也逐渐减小。

发明内容

考虑上述问题，本发明提供一种冲击电动工具，其即使在驱动功率源的电压减小时也能够以稳定的拧紧扭矩执行拧紧作业。

根据本发明的观点，提供一种冲击电动工具，包括：通过使用电机的输出功率对输出轴施加打击冲击的冲击机构；用于检测由所述冲击机构施加的所述打击冲击以获得打击时序的打击检测单元；用于检测所述电机的旋转角度的旋转角度检测单元；用于根据通过所述打击检测单元获得的打击时序以及通过所述旋转角度检测单元获得的所述电机的旋转角度而计算打击速度的打击速度检测单元；以及用于计数通过所述打击检测单元检测的所述打击冲击的次数并且在所述打击冲击的次数达到预定打击次数时停止所述电机的控制单元，其中所述控制单元被设计为在所述打击速度检测单元中获得的所述打击速度等于或低于指定的打击速度时校正所述预定打击次数。

随着功率源电压下降，打击速度会减小。响应于所述打击速度的减小，校正所述预定打击次数，由此预防出现拧紧扭矩不足的情况。

优选地，所述控制单元通过计算不足打击能量、将所述不足打击能量转换为不足打击次数并且随后将所述不足打击次数加到所述预定打击次数而执行所述预定打击次数的校正，所述控制单元通过使所述预定打击次数乘以通过第一指定的打击速度计算的打击能量与通过所检测的打击速度计算的打击能量之间的差值的这样一种方式来计算所述不足打击能量。

这使得可能执行精确的校正而不增加成本。

当所检测的打击速度等于或低于第二指定的打击速度时，所述控制单元停止所述电机并且通知操作者在所述拧紧扭矩中出现异常，其中所述第二指定的打击速度小于所述第一指定的打击速度。或者，当所检测的打击速度等于或低于第二指定的打击速度时，所述控制单元停止所述电机并且使所述电机不能操作，其中所述第二指定的打击速度小于所述第一指定的打击速度。

在本发明的冲击电动工具中，响应于功率源电压的减小，拧紧扭矩会减小，因为即使打击次数保持不变，一次打击的打击能量也会表现为减小。一次打击的打击能量与打击速度有关。在本发明中，检测打击速度并且根据由此检测的打击速度来校正所述打击次数。由于这一特征，可能保证稳定的拧紧扭矩。因此，所述冲击电动工具在例如工厂等需要管理拧紧扭矩的操作中是有效的。

附图说明

结合附图，通过对下列实施例的描述，本发明的目的和特点将变得清晰，其中：

图1是说明根据本发明一个实施例的冲击电动工具的操作流程图；

图2是表示本发明的冲击电动工具的方框图；

图3是用于解释本发明的冲击电动工具中拧紧扭矩和旋转角度之间相互关系的视图；

图4是用于解释本发明的冲击电动工具中拧紧扭矩、旋转角度和估计的拧紧扭矩之间相互关系的视图；

图5是用于解释拧紧扭矩、旋转角度和打击次数之间相互关系的视图；

图6是用于解释拧紧扭矩和电池电压之间相互关系的视图；并且

图7是用于解释拧紧扭矩与打击速度之间相互关系的视图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的具体实施例。

图2中的附图标记1表示电机，通过减速器2将该电机的旋转输出功率传输至驱动轴3。锤4通过凸轮机构(未示出)与驱动轴3连接。锤4与具有输出轴的砧座5结合并且通过弹簧6被朝向砧座5偏置。锤4、砧座5、弹簧6和凸轮机构共同形成冲击机构。

由于锤4和砧座5在弹簧6的偏置力作用下互相结合，当没有负载施加到砧座5上时，锤4将电机1的旋转原样地传输至砧座5。然而，如果负载扭矩增大，则锤4逆着弹簧6的偏置力向后移动。由于通过锤4的向后移动释放了锤4和砧座5之间的结合，锤4在弹簧6的偏置作用下和凸轮机构的引导下旋转并向前移动，由此对砧座5施加旋转打击冲击。

参考图2，附图标记10、11、12和13分别表示控制电路、电机驱动电路、用作驱动功率源的充电电池和触发开关。通过触发开关13的操作打开或关闭电机1。根据触发开关13的操作量来改变电机1的旋转速度。

冲击电动工具包括用于检测砧座5被锤4打击的打击检测单元21、用于检测电机1的旋转角度的旋转角度检测单元22、座合(seating)检测单元23和打击速度检测单元24。在当前实施例中，座合检测单元23和打击速度检测单元24包括在控制电路10的计算单元中。

打击检测单元21包括用于捕捉打击声音的扩音器或用于感测打击冲击的加速度传感器。打击检测单元21检测施加打击冲击的时序。

旋转角度检测单元22用于检测电机1的旋转角度。在电机1为刷式电机的情况下，旋转角度检测单元22包括附着到电机1上的旋转传感器(例如，频率发生器)。在电机1为无刷式电机的情况下，旋转角度检测装置22包括用于检测转子位置的位置检测传感器(霍尔传感器)。

座合检测单元23用于检测螺母或螺栓头在目标元件上的座合。通过根据电机1的旋转速度和电机1在两次连续打击之间的旋转量估计拧紧扭矩并且随后确定这样估计的拧紧扭矩是否达到预定值而检测该座合。

在当前实施例中，基于通过上述计算得到的估计拧紧扭矩来判断所述座合，并且通过在座合后计数进行打击的次数来判断最终的拧紧扭矩。后面将解释原因。

通过座合检测单元23执行的拧紧扭矩的估计基于每次打击的动能的增益或损失。在假设通过锤4的打击动作传递到砧座5的能量基本上等于拧紧操作中消耗的能量的前提下来进行估计。现在假设通过图3中所示的函数T＝τ(θ)表示在座合时间点附近螺母的旋转角度θ与拧紧扭矩T之间的相互关系，并且还假设由锤4进行的打击发生在各自的旋转角度θ₁至θ_N处，则通过对函数τ在θ₁和θ₂之间的段上求积分而获得的值E₁代表在拧紧操作中消耗的能量。值E₁等于锤4在旋转角度θ₁处打击砧座5时传递到砧座5的能量。因此，通过等式(1)给出在θ_N至θ_N+1之间的段上的平均拧紧扭矩T：

T_av＝E_n/Δθ_n ……(1)

其中，E_n为能量并且Δθ_n为连续打击之间的旋转角度(θ_n+1-θ_n)。

能量E_n由等式(2)表示：

E_n＝1/2×Ja×ω_n ² ……(2)

其中，Ja为砧座5的已知惯性矩并且ω_n为通过执行计算的打击速度检测单元24获得的打击速度，在所述计算中，用打击间隔除以连续打击之间的砧座旋转角度。这里，根据连续打击之间的电机旋转角度、减速器2的减速比以及在一次旋转期间由锤4施加到砧座5的打击次数之间的相互关系来计算砧座旋转角度θ。

图4表示拧紧螺栓时扭矩的变化。在用于将金属物体接合在一起的拧紧作业的情况下，从图4中可以清楚地看出，拧紧扭矩在每次施加打击冲击时逐渐增大。螺栓旋转角度在每次施加打击冲击时逐渐减小并且最终变为微小角度。由于将每次施加打击冲击时螺栓(砧座5)的旋转角度用于前述对于得到估计的拧紧扭矩T的计算中，在旋转角度变为较小值的区域中误差会变大。因此，估计的拧紧扭矩(图4中的“b”)与实际的拧紧扭矩(图4中的“a”)不同。尽管可能在砧座5上安装高精度和高分辨率的旋转角度传感器，但其往往会增加冲击电动工具的重量，从而降低可使用性。另外，冲击电动工具结构变得复杂并且制造成本升高。

很难基于打击次数来确定螺栓的座合或非座合。基于估计的拧紧扭矩对座合或非座合的确定确保了增加的精确度并且容易精确地检测螺栓在每次施加打击冲击时的旋转角度，直到座合完成。在当前实施例中，如果如前述得到的估计的拧紧扭矩T等于或大于预定值Ts，则确定座合完成。根据座合完成之后的打击次数是否达到对应于期望的拧紧扭矩的指定打击次数而确定最终的拧紧扭矩。由于座合完成之后螺栓进入稳定拧紧状态，拧紧扭矩也稳定，如图5中所示。

在这点上，如果基于打击次数对拧紧扭矩是否达到目标拧紧扭矩进行确定，则由于前述的功率源电压下降而使重复确定的准确率降低。图6表示当打击次数保持不变时，拧紧扭矩和电池电压之间的相互关系。

由于前面提到的原因，在控制操作期间，监控等式(2)中的打击速度ω_n并且根据该打击速度ω_n校正预定打击次数，其中在所述控制操作期间，计数打击次数并且当这样计数的打击次数达到对应于目标拧紧扭矩的预定打击次数时执行关断。

参考图1，如果开启触发开关13(步骤S100)，则以对应于触发开关13的操作量的旋转速度控制电机1(步骤S101)。然后，如果通过打击检测单元21检测到打击，则座合检测单元23计算估计的拧紧扭矩(步骤S103)。在步骤S104中确定座合并且在步骤S105至步骤S110中执行基于打击次数的关断操作。如果估计的拧紧扭矩等于或大于预定值Ts并且在步骤S104中确定已经完成座合，则控制单元10响应于由打击检测单元21发出的打击信号而计数打击次数(步骤S105)。

如果计数的打击次数已经达到预定打击次数(步骤S106)并且此时的打击速度等于或大于第一指定的打击速度(电池电压正常时的打击速度)(步骤S107)，则执行关断操作。相反，如果工具停止之前的打击速度小于该第一指定的打击速度，则校正预定打击次数。

在执行校正中，通过使预定打击次数乘以一差值来计算不足打击能量，其中所述差值为根据第一指定的打击速度计算的打击能量与通过根据打击速度检测单元24获得的打击速度计算的打击能量之间的差值。将该不足打击能量转换为不足打击次数。然后，通过将该不足打击次数加到预定打击次数而得到校正的打击次数。如果打击次数达到校正的打击次数(步骤S109)，则停止电机1以执行关断。更确切的说，通过下述等式计算不足打击能量：不足打击能量＝((第一指定的打击速度)²-(实际打击速度)²)×预定打击次数。不足打击能量的这种计算基于这样一个概念，其中，如果连续打击之间的旋转角度很小并且基本上恒定，则打击速度的平方与拧紧扭矩成比例。使用以下等式执行从不足打击能量到不足打击次数的转换：

不足打击次数＝校正系数×不足打击能量÷(实际打击速度)²。

打击速度越小，不足打击次数就越大。因此，可能以增加的精确度执行校正。校正系数为随着冲击电动工具的类型变化的任意整数。

当检测的打击速度过低时，即使如图7所示地校正打击次数也不可能达到目标拧紧扭矩。因此，当检测的打击速度等于或低于第二指定的打击速度S2(小于如图7所示的第一指定的打击速度S1)时，虽然在图1中未示出，还是希望通过使用图2所示的通知单元14通过光或声音(蜂鸣声)通知操作者缺少功率源电压以停止电机1并且要求操作者更换电池，在该第二指定的打击速度S2处，不能通过以校正的打击次数的打击操作来实现目标拧紧扭矩。如果直到或除非更换电池电机1都保持不能发动，则可能可靠地防止否则可能由不足拧紧扭矩导致的拧紧作业的劣质完成。

尽管已经针对典型的实施例示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应当理解，本发明不限于前述具体实施例而是在不偏离本发明范围的情况下可以对其进行多种改变和修改。

Claims (4)

1.一种冲击电动工具，包括：

冲击机构，用于通过使用电机的输出功率对输出轴施加打击冲击；

打击检测单元，用于检测由所述冲击机构施加的所述打击冲击以获得打击时序；

旋转角度检测单元，用于检测所述电机的旋转角度；

打击速度检测单元，用于根据通过所述打击检测单元获得的打击时序和通过所述旋转角度检测单元获得的所述电机的旋转角度来计算打击速度；以及

控制单元，用于计数通过所述打击检测单元检测的所述打击冲击的次数并且在所述打击冲击的次数达到预定打击次数时停止所述电机，其中所述控制单元被设计为在所述打击速度检测单元中获得的所述打击速度等于或低于指定打击速度时增大所述预定打击次数。

2.根据权利要求1所述的冲击电动工具，其中所述控制单元通过计算不足打击能量、将所述不足打击能量转换为不足打击次数并且将所述不足打击次数加到所述预定打击次数而增大所述预定打击次数，其中所述控制单元按照使所述预定打击次数乘以一差值的方式来计算所述不足打击能量，其中所述差值是根据所述指定打击速度计算的所述打击能量与根据所检测的打击速度计算的所述打击能量之间的差值。

3.根据权利要求1或2所述的冲击电动工具，其中当所检测的打击速度等于或低于另一指定打击速度时，所述控制单元停止所述电机并且通知操作者在所述拧紧扭矩中出现异常，其中所述另一指定打击速度小于所述指定打击速度。

4.根据权利要求1或2所述的冲击电动工具，其中当所检测的打击速度等于或低于另一指定打击速度时，所述控制单元停止所述电机并且保持所述电机不能操作，其中所述另一指定打击速度小于所述指定打击速度。

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