CN102015219B - 用来紧固接合件的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来对固定件进行紧固的电组装设备(200)，所述设备包括外壳(210)；转动电机(215)，所述电机(215)驱动地连接至输出轴(214)，所述输出轴具有前部(217)，该前部(217)延伸出所述外壳(210)，该输出轴被适配成承载有联接装置，所述联接装置用于在紧固期间与所述固定件的可释放的联接，所述紧固被设置成沿着第一轴线(A1)执行。所述设备包括用来在固定件的紧固期间确定所述外壳(210)相对于所述第一轴线(A1)的角位移(α、β)的装置(226)、以及利用所确定的外壳(210)的角位移(α、β)来控制紧固期间所述电机转动的装置(220)。

Description

用来紧固接合件的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种将带螺纹的固定件紧固至理想紧固力或夹紧力的设备。特别而言，本发明涉及一种用来对固定件进行紧固的电组装设备。本发明还涉及一种用来对固定件进行紧固的方法。 
背景技术
在诸如制造厂的组装厂中对快速组装的不断增大的需求导致了复杂组装工具的发展。例如，对于接合件的紧固来说，在紧固件到达接合件实际开始紧固的点并且扭矩从而开始增大之前，诸如螺母、螺钉或螺栓的带螺纹的固定件通常必须在相对小的扭矩下转动多圈。 
因此，非常希望尽可能地快速执行初始的穿螺纹阶段或者行进阶段，这是因为该初始的绕圈数通常明显大于固定件在实际紧固阶段进行转动的绕圈(或者甚至是局部绕圈)数，并且这是因为穿螺纹的初始期间消耗了具体的接合件的整个组装时间中的大部分。 
为此，电动组装工具被开发出来，其中接合件的紧固在两个步骤中执行，亦即，在第一步骤期间，接合件在高速下被紧固到预定扭矩级别，之后，在第二步骤中接合件在较低速度下被进一步紧固到最终的预定的预拉级别(pretension level)。 
然而，特别是关于高扭矩接合件(例如，大约50Nm量级或更大)而言，如果操作者未对突然的扭矩增大做好准备，当扭矩开始增大时，这种工具会产生其不希望产生的摇晃。这种摇晃会对操作者产生非常不舒服的感觉，并且如果操作者例如当靠近墙壁或者尖锐物体的时候而遭受到工具强有力的摇晃的话，还具有发生危险的风险。 
因此，多种控制方法被开发出来，其中紧固工具在第二步骤当中的转速受到某种方式的控制，从而可以获得不仅快速而且从人体工程学(ergonomic)的角度而言更加有利的紧固过程。 
根据现有技术，基本存在两种实现对带螺纹的接合件进行紧固的方法，两种方法都是两步骤紧固方法，其中第一种方法大体上利用高的、大致恒定的转速开始，直到紧固扭矩达到阈值，之后进行暂停以让操作者准备随后的即将到来的扭矩增大。在第二步骤中，在降低的速度下进行穿螺纹操作，且该穿螺纹保持恒定，直到紧固扭矩达到它的目标级别为止。 
第二种方法事实上是一步骤方法，其包括类似于上述的但却为“静态”的第一阶段，但是其中在第二阶段中，并非首先像上述的那样将速度减小为零，而是速度立即减小到中间速度，该中间速度接着保持紧固速度为恒定直到达到目标扭矩。 
尽管上述的方法从人体工程学的角度而言能够为操作者提供实质的改进，并很大程度上减少了通常发生在紧固过程期间的令人疲惫和不舒服的摇晃，但是该紧固过程将仍然对所有操作者保持类似，其结果就是尽管上述的紧固过程对某些操作者而言会被认为令人感到舒服，但是对另一些操作者而言会认为该紧固过程的灵活度太低。 
因此，需要有一种改进的电螺钉接合件紧固工具，其能够借助更多的灵活方法来进行操作，从而提高了人体工程学和操作者的满意度。 
发明内容
本发明的目的是提供一种电螺钉接合件紧固设备，其操作方式能够从操作者的人体工程学的角度而言是有利的。本发明的另一目的在于提供一种电螺钉接合件紧固工具，其能够在对固定件的紧固期间提供额外的功能。这些目标通过根据权利要求1的特征部分的设备而得以实现。 
根据本发明，提供了一种用来对固定件进行紧固的电动工具，所述设备包括联接装置，该联接装置用来在紧固期间可释放地与所述固定件相联接，例如，批头螺钉(bit-screw)装置或凹窝螺母(socket-nut)装置，所述设备还包括设备外壳，该设备外壳包括电机，该电机用来在紧固期间转动所述联接设备并从而转动固定件，所述紧固被设置成沿着轴线执行，其特征在于，所述装置包括用来确定在固定件的紧固期间所述设备相对于该轴线的角度转动的装置、以及利用所确定的角 度转动来控制紧固期间所述电机的转动的装置。 
这样的优点在于，所述组装设备能够被操作的方式更加适配于操作者个体，这是因为通过检测所述设备相对于所述轴线的角度转动，电机的速度和因而固定件的转动速度能够基于操作者在紧固期间对工具的移动方式而受到控制，从而考虑到了比之前可以考虑的更多参数。 
从随后的优选实施例和附图的详细描述中，本发明的进一步特性和其优点将会变得显而易见，这些实施例和附图仅仅是通过例子的方式而给出的，而不能解释为以任何方式的限定。 
附图说明
图1A和1B显示了根据现有技术的对固定件进行紧固的两种方法。 
图2A示意性地显示了根据本发明示例性实施例的设备。 
图2B显示了图2A中的设备的俯视图。 
图3A和3B公开了本发明能够有利地进行利用的另一个示例性设备。 
图4A和4B公开了本发明能够有利地进行利用的再一个示例性设备。 
具体实施方式
为了使得本发明的优点更加明确，首先参考图1A和1B来对上述的对固定件进行紧固的两个现有技术的方法进行描述。 
图1A显示了在典型的紧固过程期间，紧固扭矩的时间变化和紧固的转速变化的图表。实线表示紧固的转速，虚线表示紧固扭矩。从图中可以看出，所述方法利用高的大致恒定的转速R1而开始，该转速R1被保持一直到紧固扭矩低于第一阈值TA，亦即，图中的A点处。在点A处随后检测到扭矩开始增大，并且检测到扭矩开始增大的时候，紧固的转速减小到零，点B。 
点A总体上是紧固扭矩开始快速增大的点，该快速增大的方式能够被工具的操作者检测到。这个点有时被参考为“紧密”点(“snug”point)。 
当速度减小到零的时候，所述方法以适当的人体工程学的方式等待了预定时间周期直到点C的时间上，在该点C的时间处，紧固速度设定到降低的速度R2＜R1，该速度会一直保持直到已经确定接合件的紧固扭矩在点D达到它的目标扭矩TT。当达到目标扭矩并且接合件从而被确定已经紧固的时候，转速降到零。 
尽管第二步骤中的速度被显示为大致恒定，它能够被设置成变化，从而代替为 
Figure BPA00001253482700041
保持恒定。 
图1B显示了控制紧固过程的上述方法的第二种方法。一直到点A处，该方法类似于图1A的方法。然而，并非如上述那样将速度减小到零，所述速度被减小到中间速度R3，该中间速度R3在到达点B’的时候保持恒定(或者选择性地， 保持恒定)，直到在点D’达到目标扭矩TT。因此，尽管通过将工具的转速减小而获得了一些摇晃的减轻，但是这种方法无法使得操作者对于扭矩增大做“准备”。 
然而，根据本发明，通过使用信号而可以进行更加复杂的多的操作方法，所述信号来自用来确定设备主体相对于构成所述接合件的紧固方向(亦即，例如螺母在穿螺纹到例如带螺纹的销上时的移动方向)的轴线的角度转动的装置、和利用所述已确定的角度转动来控制所述电机的转动的装置。 
图2A示意性的显示了根据本发明示例性实施例的以电组装工具的形式的设备200。设备200具有外壳210，当使用时，该外壳210的一部分构成了供设备操作者使用的后把手211。在外壳210内具有电动电机215，该电动电机215通过缆线221借助外部电源进行供电。在可选的实施例当中，电动电机215而是被一个或多个电池供电，所述电池例如可以位于后把手当中。 
所述设备还包括电机输出轴223，该电机输出轴223连接至传动装置216，以使得固定件能够被设备200驱动，该设备200被驱动的转速与可变速度转动电机215的转速不同。进一步地，传动装置输出轴224从传动装置216延伸至角度驱动器225，该角度驱动器225包括输出轴214，该输出轴214具有延伸出所述外壳210的前部217，并被适配于承载有联接装置(例如，图中未示的凹窝螺母)，该联接装置与用于紧固连接件的固定件之间获得了可释放的连接。输出轴214的前部217 可以是用于转动固定的任何已知类型，例如方形或多边形。 
设备200进一步包括电控制单元220，该电控制单元220管理设备200的操作，并包括用来从例如外部单元和传感器中接收各种信号和/或将信号传递至例如外部单元和传感器的装置，所述工具可以通过合适的缆线连接至所述外部单元，所述传感器例如为用于在紧固期间连续地测量紧固扭矩的扭矩传感器(图中未示)以及下文将要详细说明的陀螺仪传感器226。 
所接收到的信号可以与其它信息一起用于控制单元220中的数据处理单元，该数据处理单元利用接收到的传感器信号和数据并借助计算机程序来执行所需要的计算来以所需的方式控制电机215并从而控制紧固过程，所述计算机程序例如能够以存储装置的形式存储在计算机程序产品当中，或者连接至处理单元。接下来，控制单元220包括用来控制供应至所述电机的功率的装置，以直接控制其操作或者通过产生用于传输至独立的电机控制单元的控制信号来控制其操作，并从而控制接合件的紧固的转速和扭矩。 
在优选的实施例中，设备200具有发光二极管或其它视觉指示装置222，以通知操作者当前接合件的状态。例如，二极管可以用来表示接合件被紧固。作为选择，可以使用多个二极管来表示紧固过程的多个不同阶段，以及/或者可以使用扬声器设备来用声音表示正在进行的/已完成的紧固。 
对于陀螺仪传感器226，它能够例如为电陀螺仪或光陀螺仪的形式，尽管也考虑过其它种类的陀螺仪传感器。这种传感器在扭矩扳手中是已知的，例如参见文献EP 1022097A2(申请人为BLM S.a.s di L.Bareggi&C.)，但是用于完全不同的理由，例如确定固定件被旋转的转数以及扳手的操作速度。 
所述文献还包括这种陀螺仪传感器的简短说明，其基本上输出电信号，该电信号与陀螺仪承受的转动成比例。 
根据本发明，从陀螺仪传感器226中输出的信号如上所述的那样，被用于控制电机215。这将会参考图2B进行示例，该图2B显示了图2A中的设备200的俯视图。从图中可以看出，设备200除了包括后把手211以外，还包括中间把手240，从而允许操作者使用两个把手来操 作所述设备，这可能在高扭矩紧固中需要(例如，在轿车工业中，利用诸如已公开的设备而在组装中的最大扭矩为70-100Nm)。操作者的把手241、242用虚线来表示。 
在图中，紧固沿着轴线进行，该轴线也被定义为转动轴线(垂直于纸面，紧固向内进行)，该轴线用A1来表示。紧固开始的起始位置，关于绕轴线A1的角位置通常是任意的，亦即，如果可以的话，在开始紧固之前，操作者可以相对于环绕的障碍物将设备200以绕轴线A1任意角度定位。在一个实施例当中，固定开始的位置设为基准位置，亦即，当固定开始时通过陀螺仪传感器226输出的传感器信号被确定为基准。 
该基准位置在图中用虚线R表示。利用从陀螺仪传感器传来的信号，将可以使得设备的控制系统检测该设备绕轴线R1的角度转动/角位移，亦即，设备沿着已公开的弧243的移动，这产生了角度偏移/位移α和β。这样的优点是控制系统能够检测例如操作者遭受的摇晃，例如在扭矩增大的时候。从而，领用来自陀螺仪传感器的信息，控制系统能够一旦检测到可能被认为对操作者不舒服的摇晃发生，就降低电机的速度，从而减少操作者遭受的力，并从而减小操作者所遭受的摇晃的幅度(亦即，所述设备200沿着箭头244、245的任意之一所表示的方向移动的角度移动和转速)。 
因此，本发明的优点是，一旦检测到即将发生摇晃，例如，如果所述设备在特定时间周期内从基准R偏移特定角度α或β，则电机的转速能够被立即降低或者电机甚至停止，从而给予了操作者时间以对摇晃增大的做出反应(例如通过拉紧肌肉)。 
使用陀螺仪传感器(或者能够提供信号的任何类型的合适的加速器，沿着拱形线243的加速、速度或角度的至少其中一个能够从所述信号中确定)的优点是：能够实现提供给操作者附加值的多种紧固方法。 
例如，利用本发明，设备200能够被用作节流夹具(throttle grip)，换言之，装置不是如上所公开的那样， 
Figure BPA00001253482700061
或者紧固转速保持恒定，而是操作者能够被允许控制紧固速度(只要被操作者设定的紧固速度至少不违反用以确保安全紧固的接合件的任何更高控制策略)。例如， 这能够通过某种控制策略来实现，该控制策略为：如果操作者将设备保持或者或大致保持在图2B所示的基准位置R，则紧固速度(或 
Figure BPA00001253482700071
)能够像现有技术那样保持恒定，同时如果操作者朝他/她自己拖动所述设备的话，亦即，将设备移动至图中的左侧，则固定件的转速能够被设置成根据任何合适的关系并取决于从基准位置R的偏移度而增大。相反地，如果操作者在相反的方向上移动所述设备，亦即，移动到图中的右侧，速度可以设置成降低。 
因此，本发明允许了操作者以如下的方式操作设备，该方式使得操作者能够根据个人偏好而自由地设定紧固速度以及因此的 在另一个实例当中，对所述设备的紧固速度的控制方式试图将设备保持在基准位置R。换言之，如果设备移动到图的右侧，其表示为 
Figure BPA00001253482700073
对当前的操作者而言略高，则降低速度，以使得 
Figure BPA00001253482700074
降低，从而让操作者很容易地将所述设备返回到基准位置。相反地，如果操作者朝他/她自己移动所述设备，可以假设当前的 
Figure BPA00001253482700075
略低，因此可以增大转速。 
在另一实例当中，对所述设备的操作方式复制了棘爪扳手(click wrench)的工作功能。在该实施例当中，当操作者朝他/她自己移动设备的时候扭矩会增大，然而当移动设备远离的时候，亦即，操作者以类似于传统的棘爪扳手的方式对工具进行重新定位以用于继续紧固的时候，不再发生紧固，但是它将仅能确保接合件未松动。 
应当理解，尽管以上描述的对接合件进行紧固的方法已经利用所述设备的具体移动方向而进行了公开，然而所述方向可以是相反的。换言之，例如可以设置成：如果是优选的话，当操作者推开所述设备的时候，所述设备的转速增大。 
此外，尽管本发明已经结合用于上述的高扭矩紧固的设备而进行了描述，本发明也可应用于其他类型的接合件紧固设备。例如，所述设备不必是成角度的设备，其可以是直的(例如参见图3A-3B，其中设备的转动受到控制(参见图3B)或者被用来控制根据上述的设备的转速)，或者是手枪型的设备(参见图4A-4B)，其中是把手相对于紧固轴线A1的转动受到了控制(参考图4B中的箭头，其显示了从后方观察图4A中的装置)，或者被用来控制根据上述的设备的转速。 
尽管本发明利用陀螺仪传感器进行了示例，应当理解已经考虑使 用这种装置的任何合适的装置，以用来检测所述设备相对于所述接合件的紧固轴线的角度转动，或者所述角度转动能够从这些装置中得到确定，且这些任何合适的装置应当包含在本发明的范围当中。 

Claims (10)

1.一种用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，包括外壳(210)；可变速度转动电机(215)；输出轴(214)，该输出轴(214)连接至所述电机(215)并能够绕输出轴(214)的转动轴线(A1)进行转动；支承在所述输出轴(214)上的联接装置，该联接装置用来将所述输出轴(214)联接至待被紧固的带螺纹的固定件，所述外壳(210)设置成被操作者手动支撑，并能够相对于所述输出轴(214)的转动轴线(A1)进行角位移，其中设有用来在紧固期间确定所述外壳(210)相对于所述轴线(A1)的角位移(α、β)的装置，其中：
设有根据所确定的外壳(210)的角位移(α、β)来控制紧固期间所述电机(215)转速的装置(220)，该装置(220)通过控制所述电机(215)的转速而控制固定件的转速，其中通过将所述外壳(210)相对于所述转动轴线(A1)在所述输出轴(214)的转动方向或者与该转动方向相反的方向上进行角位移，所述操作者可以确定所述带螺纹的固定件的紧固速度；
其特征在于，利用所述已确定的外壳(210)的角位移(α、β)来控制所述固定件的转速的装置(220)：
-如果检测到所述外壳(210)在第一方向(α)上绕所述轴线(A1)的位移(α、β)，则增大所述固定件的转速；以及
-如果检测到所述外壳(210)在相反转动的第二方向(β)上的位移(α、β)，则减小所述固定件的转速。
2.如权利要求1所述的用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，其特征在于，它还包括：
-用来在紧固期间确定所述外壳(210)相对于所述轴线(A1)的角位移(α、β)的装置建立所述外壳(210)的基准位置；
-利用所述已确定的外壳(210)的角位移(α、β)来控制所述固定件的转速的装置(220)：如果检测到所述外壳(210)在所述第一方向(α)上从所述基准位置绕所述轴线(A1)的位移，则增大所述固定件的转速；以及，如果检测到所述外壳(210)在从所述基准位置点的所述第二方向(β)上的转动，则减小所述固定件的转速。
3.如权利要求2所述的用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，其特征在于，所述固定件的转速的增大/减小被设置成取决于所述外壳(210)从所述基准位置的角位移(α、β)。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，其特征在于，所述第一方向(α)是朝向操作者的方向，该操作者是操作所述设备的。
5.如权利要求1所述的用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，其特征在于，所述外壳(210)具有伸长的形状。
6.如权利要求1或5所述的用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，其特征在于，所述外壳(210)被布置成相对于所述轴线(A1)成一定角度。
7.如权利要求2所述的用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，其特征在于，所述用来建立基准位置和用来确定所述外壳(210)的角位移的装置是陀螺仪传感器(226)。
8.一种用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，包括外壳(210)；可变速度转动电机(215)；输出轴(214)，该输出轴(214)连接至所述电机(215)并能够绕输出轴(214)的转动轴线(A1)进行转动；支承在所述输出轴(214)上的联接装置，该联接装置用来将所述输出轴(214)联接至待被紧固的带螺纹的固定件，所述外壳(210)设置成被操作者手动支撑，并能够相对于所述输出轴(214)的转动轴线(A1)进行角位移，其中设有用来在紧固期间确定所述外壳(210)相对于所述轴线(A1)的角位移(α、β)的装置，其中：
设有根据所确定的外壳(210)的角位移(α、β)来控制紧固期间所述电机(215)转速的装置(220)，该装置(220)通过控制所述电机(215)的转速而控制固定件的转速，其中通过将所述外壳(210)相对于所述转动轴线(A1)在所述输出轴(214)的转动方向或者与该转动方向相反的方向上进行角位移，所述操作者可以确定所述带螺纹的固定件的紧固速度；
其特征在于，利用所述已确定的外壳(210)的角位移(α、β)来控制所述固定件的转速的装置(220)：
-如果检测到所述外壳(210)在第一方向(α)上绕所述轴线(A1)的转动，则在紧固方向上转动所述固定件；以及
-如果检测到所述外壳(210)在相反转动的第二方向(β)上的转动，则显著缓慢地转动所述固定件或者保持所述固定件静止。
9.如权利要求8所述的用来对带螺纹的固定件进行紧固的电组装设备，其特征在于，所述第一方向(α)是朝向操作者的方向，该操作者是操作所述设备的。
10.一种利用电组装设备来对固定件进行紧固的方法，所述设备包括外壳(210)；可变速度转动电机(215)；输出轴(214)，该输出轴(214)连接至所述电机(215)并能够绕转动轴线(A1)进行转动；支承在所述输出轴(214)上的联接装置，该联接装置用来将所述输出轴(214)联接至待被紧固的带螺纹的固定件，所述外壳(210)设置成被操作者手动支撑，并能够相对于所述转动轴线(A1)进行角位移，所述方法包括以下步骤：
-在紧固期间确定所述外壳(210)相对于所述轴线(A1)的角位移(α、β)；以及
-根据所确定的外壳(210)的角位移(α、β)来控制紧固期间所述电机(215)的转速，其中通过将所述外壳(210)相对于所述转动轴线(A1)在所述输出轴(214)的转动方向或者与该转动方向相反的方向上进行角位移，所述操作者可以自由地确定所述带螺纹的固定件的紧固速度；
其特征在于，利用所述已确定的外壳(210)的角位移(α、β)来控制所述固定件的转速的步骤包括至少一个以下步骤：
-如果检测到所述外壳(210)在第一方向(α)上绕所述轴线(A1)的位移(α、β)，则增大所述固定件的转速；以及/或者
-如果检测到所述外壳(210)在相反转动的第二方向(β)上的位移(α、β)，则减小所述固定件的转速。
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