CN101730839A - 用于动力工具的调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调节器(9)，其用于对紧固件(1)进行紧固从而将两个或多个工件(3、4)结合为连接件(5)的动力工具(6)，所述调节器(9)在对紧固件(1)进行紧固时调节所述动力工具(6)，从而使紧固件(1)紧固到预定目标。所述调节器(1)设置为计算输出至所述动力工具(6)的输出信号(i_q)，所述输出信号(i_q)基于由所述动力工具(6)施加在所述紧固件(1)上的扭矩(T)与用于使所述紧固件(1)围绕其轴线(10)转动的角度(

)的乘积，并且所述输出信号(i_q)被用来使紧固件(1)紧固到预定目标。所述调节器(9)还可以应用到用于铆接连接的动力工具。

Description

用于动力工具的调节器

本发明涉及一种用于紧固件的调节器，所述紧固件例如为螺钉、螺栓和铆钉。

在将具有螺纹的螺钉或螺栓设置到具有对应螺纹的孔中时，可以用到诸如电扳手的工具。螺钉或螺栓必须被紧固到预定扭矩，从而达到固定连接。在大批量生产中，例如在汽车生产中，当采用大量的螺钉或螺栓时，在较短时间内将螺钉或螺栓紧固到预定扭矩是很重要的。

为了在较短时间内达到预定扭矩，调节器被连接到该工具上从而对该工具进行调节。

已知的在对紧固件进行紧固时所使用的调节器为PID调节器。这种PID调节器给出的输出信号u(t)为：

$u\left(t\right)=K_P\·e\left(t\right)+K_{I}e\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_D\frac{d}{\mathrm{dt}}e\left(t\right)---\left(f1\right)$

e(t)为输出信号中的偏差，并从系统的反作用中接收。较大的K_p值虽然会使调节器的速度提高，但也会使稳定性降低。K_I值虽然消除输出信号中的静态误差，但是如果过大则会使稳定性降低。通过利用适当的K_D值，偏差将提高稳定性。然而，经常相关的是难以找到适当的K_D值，特别是在输出信号的噪声水平较高时。K_p、K_I和K_D的值选自一般理论，并且对于本领域技术人员是公知的。

然而，使用PID调节器的一个缺点是，由于必须留下足够的时间通过K_I和K_D进行补偿，所以难以在这样短的时间内达到可接受的扭矩。因此，将会降低效率，并由此在该工具中产生热量。另外，由于加速力较大并且电机的电流会变化，所以该动力工具上的载荷或应变将会增大，这将使该工具的耐久性降低，并且对于使用该工具的操作者来说人机工程学性能变差。

本发明所要解决的技术问题是实现一种调节器，该调节器在对紧固件进行紧固时会提高效率。

本发明所要解决的另一技术问题是提出一种用于动力工具的调节器，该调节器在最短时间内精确地将紧固件紧固到预定的扭矩或力。

本发明所要解决的另一技术问题是提高对于操作者使用工具对紧固件进行紧固时的人机工程学性能。

本发明所要解决的另一技术问题是降低在对紧固件进行紧固时动力工具上的载荷或应变。

这将通过根据权利要求1的调节器来实现。

通过利用该系统中的能量贡献(energy contributions)，从而调节瞬时电机电流，其产生电机扭矩，以便得到目标扭矩值，来达到上述目的。通过利用动能对紧固件进行紧固，并且利用动力工具的电机的电流控制动力工具，在紧固件中实现对应于预定扭矩的特定量的能量，从而在时间、效率、载荷或人机工程学性能参数中的某些参数方面改进紧固特性。

时间。

为了达到正确的目标扭矩值，在目标扭矩点处必须将所述电机制动到零速度。通过使高速保持尽可能长的时间，也即，尽可能晚地进行制动，使达到目标扭矩的时间最小化。

效率。

通过利用电机7和齿轮8的动能，对所述电机能量进行调节，使得不使用过多能量。因此，相当少量的能量被转换为热量，并且与较短时间结合造成总的动力消耗减小。

载荷。

由于在对紧固件进行紧固时基本产生线性扭矩，并且由于被调节以对电机进行制动的电流是平稳的且处于较低水平，所以在动力工具上的加速力和扭矩在某一范围内将不会波动，这对于该工具中的诸如齿轮的部件的耐久性是关键的。另外，在有利状态下，能够使来自电机的在齿轮上的扭矩最小化。

人机工程学性能。

由于相当少量的能量被转换为所述工具中的热量，所以提高了操作者使用该工具时的人机工程学性能。紧固时间的最小化导致更短的扭矩上升时间，并由此使工具位移更小。这个结果导致在刚性连接上更好的人机工程学性能。

由于调节器输出信号的能量损耗较低并且波动较小，所以实现了与预定扭矩较小的偏差。这是由于使用了基于物理定律的调节器。在紧固过程中对用于达到预定扭矩所需要的电机扭矩的量连续地进行计算，从而即使紧固件的特性发生改变，也将使用精确的制动电流。

通过随后的参考附图对本发明的示例性实施方式的具体描述，本发明的其它优点和特征可以得以阐明。

图1为用于对紧固件进行紧固的工具的示意性局部剖视图，所述工具连接到调节器，

图2显示了利用根据现有技术的PID调节器对紧固件进行紧固的图，

图3也显示了利用根据现有技术的PID调节器对紧固件进行紧固的图，

图4显示了利用根据本发明的调节器对紧固件进行紧固的图，

图5显示了利用根据本发明的调节器对紧固件进行紧固的图，

图6显示了利用传统的PID调节器和根据本发明的调节器对紧固件进行紧固的图，

图7显示了利用根据本发明的调节器对紧固件进行紧固的可选紧固方案的图，

图8也显示了利用根据本发明的调节器对紧固件进行紧固的图，并且

图9显示了根据本发明的调节器的方框图

首先参考图1，其显示了紧固件1，紧固件1可以为紧固到内螺纹孔2中或螺母(未显示)中的螺钉或螺栓，从而将两个或多个工件3、4结合为称为连接件5的典型的牢固部件。紧固件1连接到诸如电扳手的工具6，工具6具有电机7和齿轮8。工具6连接到调节器9，调节器9在对紧固件1进行紧固时，通过围绕紧固件1的轴线10将其转动角度

而调节工具6。图中，紧固件1为具有头部11的螺钉或螺栓，头部11在被紧固位置上设置于两个工具3、4中的一个上。紧固件1还可以为紧固到螺纹销(未显示)上的螺母。该工具还可以为铆接工具，对于铆接工具，目标扭矩T_target被替换为目标力F_target，并且角度

被替换为进给距离δ。工具6可以设置于机械手(未显示)上或者由操作者12抓持。

现参考图2，其显示了利用根据现有技术的PID调节器对紧固件1进行紧固的图。PID调节器对于本领域技术人员是公知的。图2中的曲线13表示典型的扭矩载荷，该扭矩载荷在围绕轴线10以角度

对紧固件1连续进行拧动的过程中产生。在扭矩载荷曲线13中存在自由运行阶段A，在阶段A，使紧固件1进给仅需要较小的扭矩。紧随该阶段后的是将紧固件1的头部11抵靠工件3夹紧的阶段B，在阶段B，工件3、4逐渐衔接，并且扭矩基本线性地增大。当达到预定扭矩目标时，阶段B结束。

还是在图2中，电流曲线14显示为i_q，i_q为角度的

函数。为了达到目标扭矩T_targ，根据电流曲线14通过利用公知的PID调节器对电机7的电流i_q进行调节。在阶段A中，使电机运行仅需要较小的电流i_q。然而，由于电机7的惯量，电机7在阶段B中必须具有控制电流。根据图2，阶段B中的控制电流为对电机7进行制动的制动电流。由PID调节器所调节的该制动电流会如图2所示地波动。该制动电流的波动和高峰值会在工具6上，特别是在工具6的齿轮8上产生较高载荷或者应变，这随后导致该工具的耐久性降低，并且对于使用该工具的操作者12，导致人机工程学性能变差。

在图3中显示了在利用公知的PID调节器时施加在工具6上的扭矩载荷曲线15。如图3所示，施加在工具6上的扭矩载荷在阶段B中剧烈地波动。

如果对PID调节器进行进一步开发，关于PID调节器的上述缺点会减少或消除。

图4显示了利用根据本发明的调节器9对紧固件进行紧固的图。如结合图2所述，在图4中显示了典型的扭矩载荷曲线130。另外，旋转速度

在图4的图中显示为角度

的函数。在阶段A的起始处，旋转速度

快速增大到基本恒定的水平。当达到阶段B的起始处时，由于提供到电机7的扭矩和制动电流增大，所以旋转速度

减小。当达到预定目标扭矩T_target时，电机7停止旋转，并由此使旋转速度

为零，如图4所示。

还是在图4中，电流曲线140显示为角度的函数。为了达到目标扭矩T_targ，根据电流曲线140通过利用本发明的调节器9对电机7的电流i_q进行调节。如结合图2所述，在阶段A中，使电机运行仅需要较小的电流i_q。然而，由于电机7的惯量，电机7在阶段B中必须具有控制电流。根据图4所示的实施方式，阶段B中的控制电流为对电机7进行制动的制动电流。由本发明的调节器所调节的该制动电流遵循如图4所示的曲线140。被调节以对电机7进行制动的电流是稳定的，并且具有相对于现有技术中所描述的方案更低的峰值，因此，工具7上的加速力和扭矩在某一范围内将不会波动，这对于该工具中的诸如齿轮8的部件的耐久性是关键的。这在图5中是明显的，其中显示了在利用本发明的调节器9时施加在工具6上的扭矩载荷曲线150。如图5所示，与利用公知的PID调节器时施加在工具6上的扭矩载荷相比，在阶段B中施加在工具6上的扭矩载荷的波动较小，并且具有较低的峰值。

在图6中，电流曲线14、140显示为作为角度

的函数的i_q、

并且显示了利用PID调节器的传统紧固方法和根据本发明的紧固方法之间的差异。为了达到目标扭矩T_target，根据电流曲线140通过利用本发明的调节器9对电机7的电流i_q进行调节。如结合图2所述，在阶段A中，使电机运行仅需要较小的电流i_q。对于从制动阶段B的起始处所计算的相同的紧固速度，与利用PID调节器的制动电流14相比，制动电流i_q140的幅度更小。由于能够在较晚的点处开始该制动，所以用于紧固的时间将减小。高电流峰值水平产生高的能量消耗，而具有较低幅度的更为稳定的电流曲线会提高效率。利用本发明的调节器9所调节的用于对电机7进行制动的电流是稳定的，并且处于较低水平，因此，工具7上的加速力和扭矩在某一范围内将不会波动，这对于该工具中的诸如齿轮8的部件的耐久性是关键的。

在图7中，电流曲线14、140、140’显示为作为角度

的函数的i_q、

并且显示了利用本发明的调节器方法对紧固件进行紧固的可选紧固方案的图。取决于所接收的制动电流的多少，本发明的调节器使得可以在紧固阶段的不同时期开始该紧固操作。在第一可选方案中，如图6所述，维持速度直到点B处开始制动，获得与PID调节器相似的紧固时间。然而，制动电流140更为稳定，并且总体上将消耗更少的能量。

第二可选方案描述了将紧固时间选为最重要的特性的紧固操作。通过接收相对较高的制动电流140’，可以在较晚的时间点(比较制动点B与C)处开始该制动，这将时间范围从温和水平(snug level)缩短到扭矩目标水平。由于在每一时间段中都对正确的制动电流进行计算，所以即使在该制动点之前未使用正确的制动电流，在应当开始制动时那也只是配置的问题。当所计算的制动电流i_q超过预设的转换到制动的阈值(i_q＞i_qmax)时，需要进行配置，在此i_qmax为配置参数。在理想状态下，如图7所示，制动电流i_q将贯穿该制动直到目标扭矩保持在恒定水平。也即，i_q＝i_qmax。这是将该系统中能量贡献的公式表示以及随后描述的i_q(f7)的定义的结果。

在图8中显示了作为时间t的函数的制动电流i_q和作用在齿轮上的扭矩载荷T，并且显示了关于紧固速度的不同的紧固方案的特性，紧固速度可以由操作者利用本发明的调节器进行选取。如果该紧固时间不重要，那么可以选择这样的一个紧固过程，在该紧固过程中，制动电流是稳定的，并且在此情况下可以在所述制动的过程中使作用在齿轮上的所使用的扭矩载荷T最小化。这还会不损伤该系统中的传动装置。下面将解释这些曲线：

在紧固过程D中，制动电流i_q相对较小，从而使基本为正的扭矩作用在齿轮上；而在紧固过程F中，较大的制动电流导致基本为负的扭矩作用在齿轮上的情形。在紧固过程E中，利用有利的制动电流能够使齿轮上的合成扭矩最小化。换句话说，利用正确的制动电流使从电机传递到齿轮的扭矩最小化。

根据图9，通过考虑该系统中的能量贡献，调节器9计算输出信号i_q，其从计算步骤i_calc得到。这些能量贡献是计算的或预定的目标能量E_target、电机7中和齿轮8中的旋转动能E_rot、连接件5中的连接势能E_joint以及来自操作者12的操作者能量E_operator。

从上述关系和图9中的方框图可得到：

E_errpr＝E_target+E_operator-E_joint-E_rot    (f2)

能量E_error是为了达到扭矩目标而应当增加到工具6中的电机7的能量的量。根据f2，能量E_error定义为上述能量贡献的和。

E_operator是使用该工具的操作者的惯性质量(mass of inertia)并且还是该工具的惯性质量的结果。操作者还可以使用主动反作用力。在牢固或刚性连接中，与更为挠性的或者柔性连接相比，E_operator的影响较小，因为对于柔性连接，将连接件夹紧到目标扭矩的时间比刚性连接更长。如果该工具被安装在机械手形式的装置中，E_operator能够被解释为传递到该装置的能量。

图9中的定义了角速度，操作者12在对紧固件1进行紧固时手和臂以该角速度围绕轴线10转动，并且工具6也以该角速度围绕轴线10转动。

定义如下关系：

$E_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{{\left(T_{t\arg \mathrm{et}}\right)}^2}{2*k_j}---\left(f3\right)$

k_j为从连接特性中得到的测量值并且取决于连接件的硬度，所述连接特性从大量试样或试验样品中得到。k_j还可以从在对紧固件1进行紧固的过程中的测量中得到。

$E_{\mathrm{joint}}=\frac{T^2}{2*k_j}---\left(f4\right)$

J为电机7和齿轮8的惯量，

为电机角速度。

i_q为调节电机7的电流，k_m为电机7中的扭矩常数，

为紧固件1在连接件中应当被紧固到的估计角度，并且为紧固件1在连接件中被紧固到实际角度，N为工具6的齿轮8的齿数比(gear ratio)。i_q和k_m的乘积给出了电机扭矩。关系

给出了

角达到

的残余电机角度。

由于并且

从上述关系得到如下方程：

$i_q=\frac{E_{\mathrm{error}}}{k_m*N*\left(\frac{T_{t\arg \mathrm{et}}-T}{k_j}\right)}---\left(f7\right)$

T为连接件中的实际扭矩。

从而，调节器9计算输出信号i_q，i_q取决于对工具6的电机7进行制动的能量E_error。

图9中的Gsys为该系统的转换函数。

上述关系也可以应用于铆钉连接中。然而，在铆钉连接的情况下，上述的E_target和E_joint应当被分别替换为根据下式的E_target和E_rivet：

$E_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{{\left(F_{t\arg \mathrm{et}}\right)}^2}{2*k_r}---\left(f8\right)$

k_r为从连接特性中所得到的测量值并且取决于连接件的硬度，所述连接特性从大量试样或试验样品中得到。k_r还可以从在对铆接件进行紧固的过程中的测量中得到。F_target为铆接连接件的预定目标力。

$E_{\mathrm{rivet}}=\frac{F^2}{2*k_r}---\left(f9\right)$

F为铆接连接件上的实际力。

F＝k_r*δ               (f10)

δ为压缩铆钉的距离。

对于用于铆接的工具进行制动的能量E_error为如下能量贡献的和。

E_error＝E_target+E_operator-E_rivet-E_rot     (f11)

Claims (10)

1.一种调节器，该调节器用于对紧固件(1)进行紧固从而将两个或多个工件(3、4)结合为连接件(5)的动力工具(6)，所述调节器(9)在对所述紧固件(1)进行紧固时调节所述动力工具(6)，从而使所述紧固件(1)紧固到预定目标扭矩(T_target)，

其特征在于，所述调节器(1)设置为计算输出至所述动力工具(6)的输出信号(i_q)，所述输出信号(i_q)基于由所述动力工具(6)施加在所述紧固件(1)上的扭矩(T)与用于使所述紧固件(1)围绕其轴线(10)转动的角度

的乘积，并且所述输出信号(i_q)被用来控制对紧固件(1)的紧固，以获得所述预定目标扭矩(T_target)，其中用于达到目标扭矩(T_target)的目标能量(E_target)取决于连接件(5)的硬度的测量值(k_j)，从而对于柔性或刚性连接根据如下方程对目标能量(E_target)进行补偿：

$E_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{{\left(T_{t\arg \mathrm{et}}\right)}^2}{2*k_j}---\left(f3\right).$

2.根据权利要求1所述的调节器，其特征在于，所述连接件中的势能(E_joint)取决于由所述动力工具(6)施加在所述紧固件(1)上的扭矩(T)以及所述连接件的硬度的测量值(k_j)，从而对于柔性或刚性连接根据如下方程对连接件中的能量(E_joint)进行补偿：

$E_{\mathrm{joint}}=\frac{T^2}{2*k_j}---\left(f4\right).$

3.根据前述权利要求的任意一项所述的调节器，其特征在于，根据如下方程，所述动力工具(6)的电机(7)中的动能(E_rot)取决于所述动力工具(6)的电机(7)和齿轮(8)的惯量和角速度：

4.根据前述权利要求的任意一项所述的调节器，其特征在于，来自使用所述动力工具(6)的操作者(12)的动能(E_operator)取决于操作者(12)。

5.根据权利要求2-4所述的调节器，其特征在于，误差能量(E_error)遵循关系

E_error＝E_target+E_operator-E_joint-E_rot    (f2)。

6.根据权利要求5所述的调节器，其特征在于，来自调节器(9)的输出信号(i_q)根据如下方程取决于所述动力工具(6)的电机(7)中的扭矩常数(k_m)、取决于所述连接件的硬度的估计值(k_j)以及所述动力工具(6)的齿轮(8)的齿数比(N)：

$i_q=\frac{E_{\mathrm{error}}}{k_m*N*\left(\frac{T_{t\arg \mathrm{et}}-T}{k_j}\right)}---\left(f7\right).$

7.根据前述权利要求的任意一项所述的调节器，其特征在于，所述紧固件(1)为螺钉或螺栓。

8.一种调节器，该调节器用于对紧固件(1)进行紧固从而将两个或多个工件(3、4)结合为连接件(5)的动力工具(6)，所述调节器(9)在对所述紧固件(1)进行紧固时调节所述动力工具(6)，从而使紧固件(1)紧固到预定目标力(F_target)，

其特征在于，所述调节器(1)设置为计算输出至所述动力工具(6)的输出信号，所述输出信号基于由所述动力工具(6)施加在所述紧固件(1)上的力(F)与用于将所述紧固件(1)压缩到所述预定目标力(F_target)的距离(δ)的乘积。

9.根据权利要求8所述的调节器，其特征在于，所述紧固件(1)为铆钉。

10.根据权利要求8-9中任意一项所述的调节器，其特征在于，间断能量(E_error)遵循关系E_error＝E_target+E_operator-E_rivet-E_rot    (f11)。

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