CN102294670A - 螺丝旋具和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺丝旋具和控制方法。用于螺丝旋具的控制方法包括以下步骤：借助于电机(11)驱动主轴(14)，以便围绕一旋转轴线(15)旋转螺钉(19)；围绕该旋转的螺钉(19)产生一磁场；检测所述磁场通过旋转的螺钉(19)所引起的调制变化；根据检测到的调制变化，通过螺钉识别装置(28)选择关停准则；一旦满足该关停准则，便通过关停装置(24)终止螺钉(19)的旋转。

Description

螺丝旋具和控制方法

技术领域

本发明涉及一种螺丝旋具和一种用于螺丝旋具的控制方法。

背景技术

在建筑业中，尤其要用螺钉来固定板材。为此，螺钉发挥出钻尖的作用，该钻尖在板材中钻出一孔，然后，螺钉螺纹以及最终是钉头将板材固定在基础构件上。当钉头贴靠在板材上时，使用者便试图结束旋拧过程。在此方面，他要借助滑动离合器的支持，滑动离合器从一个适当调定的分离转矩起便中断动力传递。使用者所要做的就是：针对每种使用的螺钉类型，去调定适当的分离转矩。

发明内容

本发明的一个目的在于，将操作加以简化。

按照本发明的螺丝旋具具有电机和主轴，主轴与电机耦联，以便围绕一旋转轴线旋转螺钉。可调的关停装置用来停止主轴的旋转运动。有源磁场传感器设置为，能够通过该有源磁场传感器对由有源磁场传感器所产生的磁场的通过旋转的螺钉而引起的调制变化进行检测。在有源磁场传感器与可调的关停装置之间接有一螺钉识别装置，以便根据由有源磁场传感器检测到的调制变化来调整关停装置的关停准则。

按照本发明的用于螺丝旋具的控制方法包括以下步骤。借助于电机驱动主轴，以便围绕一旋转轴线旋转螺钉。围绕该旋转的螺钉产生一磁场，并借助有源磁场传感器检测所述磁场的通过旋转的螺钉所引起的调制变化。根据检测到的调制变化，通过螺钉识别装置选择关停准则。一旦满足该关停准则，便通过关停装置终止螺钉的旋转。

有源磁场传感器自身产生一个磁场。螺钉通过其对所述磁场的被动影响而得以区分。

该设备和方法的一个特点是：在螺钉旋转时实现螺钉的识别或者说关停准则的确定。从而可以在螺钉的安置过程中实现其识别。因此个性化地单独针对每一正待安置的螺钉来调整关停装置。

有源磁场传感器的一磁场敏感式传感器元件可以设置为：使感应式传感器元件在旋转轴线的方向上与螺钉的钉头搭接。感应式传感器应优选检测位于螺钉底面上的压印纹。磁场敏感式传感器元件例如可以是一种感应式传感器元件，在其中根据磁场会产生一电流。磁场敏感式传感器元件可以包括一电磁振荡回路，其共振频率或其衰减受所测量的磁场影响。另一变型方案是利用霍尔传感器作为传感器元件。

一种设计形式规定：有源磁场传感器具有一电磁铁，该电磁铁设置于主轴的工具侧一端。

一种设计形式规定：关停装置与电机电耦联，以实现电机的关停。关停装置在满足停止准则时使电机处于去激活状态。

一种设计形式规定：在电机与主轴之间的动力路径中接有一能够电操纵的离合器，并且关停装置与该离合器电连接，以便操控离合器。在满足关停准则时，为了停止螺钉的旋转，关停装置将一个用于分离的控制信号发送给电机与主轴之间的离合器。

在一种设计形式中设置了一监控传感器。利用该监控传感器可检测用作主轴至工件的距离的量度的信号和/或用作传递到主轴上的转矩的量度的信号。关停装置与监控传感器耦联，以便将信号与关停准则相比较。当螺钉足够深地拧入工件时，亦即当工具与工件之间的距离低于一个通过关停准则预定的阈值时，就应实现旋转的停止。作为可选方案或者附加地，当转矩逐渐增大而表明钉头支承在工件上时，则实现关停。

一种设计形式规定：螺钉识别装置具有一频率分析仪，用以确定调制变化的频谱。求出调制变化的频谱并根据该频谱选择关停准则。虽然频谱的确定需要螺钉旋转多圈，因此需要时间，但反而证明对频谱的评价分析比在时域内对调制变化的分析处理相对干扰来说更为可靠(robuster)。

一种设计形式规定：螺钉识别装置具有一存储装置，在其内储存有一些参数化的调制变化和配置于所述参数化的调制变化储存的关停准则。螺钉识别装置具有一搜索装置，用以选择出配置于一种参数化的调制变化的关停准则，该参数化的调制变化对应于由所述有源磁场传感器检测到的调制变化。搜索装置与关停装置耦联，从而关停装置可随所确定的关停准则进行调整。

附图说明

说明书下文借助于示例性的实施形式和附图来阐释本发明。其中：

图1电动螺丝旋具(电动螺丝刀)；

图2螺钉的纵剖视图；

图3螺钉的底视图；

图4对于图3的螺钉，磁场传感器的信号曲线；

图5对图4的信号曲线的频谱。

只要没有另作说明，相同或者功能相同的元件在附图中均采用相同的附图标记标示。

具体实施方式

图1示出了一种示例性的电机驱动的手持式螺丝旋具10。该螺丝旋具10具有一电机11，它例如通过蓄电池12供电。当使用者操纵按键13时，响应于此，便激活了电机11。电机11围绕一旋转轴线15驱动一主轴14。主轴14包括一输出轴16，其工具侧的一端具有一工具夹头17和/或一整合的工具。在工具夹头17中可以可拆式装入一工具18，例如套毂或螺丝刀头。整合的工具例如可以是一套毂，用以安装标准化的六角螺钉头。使用者手工将螺钉19插装到工具夹头17中的工具上或插装到整合的工具上。在主轴14旋转时，螺钉19同样围绕旋转轴线15旋转。也可以自动地或半自动地通过一料仓来实现螺钉19在工具上的插装。

该螺丝旋具10包括一操作辅助装置，用于使螺钉19自动地安置到2件20中。在安置以后，螺钉19应该以其钉头22的底面21贴靠在工件20上。必要时，在底面21与工件20之间还设置有一中间垫片23，例如作为硅树脂构成的的密封圈。钉头22往工件20上的压紧是适度的，以避免在螺钉19中产生破坏性的张力。此外，如果存在中间垫片的话，中间垫片23应该只是被保持就位，而不应被压坏。

操作辅助装置是以一关停装置24为基础，它能使主轴14的驱动旋转运动停止。为此，例如可以关掉电机11。或者作为选择，在电机11与主轴14之间设置一离合器25，为了中断转矩传递，可通过关停装置24将该离合器分离，以切断主轴14的旋转运动。离合器25例如可以是电磁离合器，它可通过关停装置24的控制信号来操纵。该离合器25也可以是其他外部操控的离合器，例如电磁式的扭簧离合器(Schlingfederkupplung)。

对于通过关停装置24进行关停的时刻的识别可以是基于以下两种方案中的至少一个。(a)作为关停准则，螺丝旋具10检验螺钉19的安置深度，只要安置深度已到达预定的深度，就切断主轴14的继续旋转。(b)作为关停准则，螺丝旋具10监控由主轴14所施加的转矩，如果该转矩对于安置的螺钉19具有一种特征性的标志，就终止继续旋转。所述特征性的标志可以是瞬时转矩超过了阈值，或者是转矩的增加率超过了阈值。

螺丝旋具10可以具有操作机构26，它使得使用者能够针对螺钉19特性调整关停装置24。该特性尤其可以是用于安置深度的钉头22高度27，必要时包括中间垫片23的高度、用于转矩监控的最大允许转矩等等。关停装置24将输入的参量转换为相应的关停准则。

螺钉识别装置28在调整用于操作辅助装置的关停准则时给使用者提供帮助。该螺钉识别装置28识别出由螺丝旋具10所旋拧的螺钉19的螺钉类型。在螺钉识别装置28的存储装置29中，针对各螺钉类型寄存了用于关停装置24的相应关停准则。一旦螺钉识别装置28确定了某一螺钉类型，就从存储装置29中选择出属于该螺钉类型的关停准则并且按照所选择的关停准则调整关停装置24。可以全自动地实现关停准则的调整，而不需要与使用者的交互作用。或者作为选择方案，在调整关停准则之前要求使用者进行一种操纵，然后再由关停装置24承担该工作。

在详细阐释一种示例性的螺钉识别装置28之前，先介绍一下特别适用的螺钉19。在许多应用场合中，已安置的螺钉19的钉头22都保持能从上面看见。因此，出于多种原因考虑，在螺钉19的顶面30上不希望有可见的识别特征。

图2示出一种自攻丝螺钉19的示例性结构的纵剖视图。图3示出该螺钉19的底视图。该螺钉19沿轴线33具有一钉头22、一螺纹31和一尖端32。尖端32具有一个或两个刀刃34，用以钻入到金属的工件中，例如钻入钢板中。刀刃34可以切削式削除金属或者将金属变形，以便产生用于螺纹31的孔。可选的、由弹性塑料例如由硅树脂构成的中间垫片23可以贴靠在钉头22的底面21上。该中间垫片23可以用作密封元件，以便将所述孔防水地封闭。

在钉头22的底面21上设置了四个基本上相同的、径向延伸的、沿轴向方向突出的筋条35。每一筋条35与其相邻的筋条35成90°的角度36设置。底面21或筋条35的设置因此便具有一种围绕螺钉19旋转轴线37的四重的旋转对称。若底面旋转360/n度的角度后与其本身重合，则该底面21就具有一种n重的旋转对称，在本例中是有90°的四重的旋转对称。

筋条35优选由与钉头22相同的材料例如由铁、钢或其他硬磁或者软磁材料构成。例如，可以通过对钉头22底面21的压印而制造出所述筋条35。筋条35的数目和造型用作螺钉类型的编码。图示的螺钉19对于螺钉识别装置28是非限制性的。特别是，代替突出的筋条35，也可以压制沉凹部。另外，冲压的结构构造也可以只设置在钉头22的圆周附近。

螺钉识别装置28是基于借助有源磁场传感器38对筋条35进行的感应式检测。

有源磁场传感器38的磁场发生器39产生一磁场，该磁场围绕着螺钉19。磁场发生器39优选设置在钉头22的高度上并且可以优选在侧面与旋转轴线15保持间距。在另一可选设计形式中，磁场发生器39呈环形围绕旋转轴线15。磁场发生器39例如可以是永久磁铁或者电磁铁，亦即一种电流流过的线圈。

螺钉19及其筋条35由于其磁性特性而影响磁力线的延伸走向/分布并因此影响局部的磁场强度。感应式传感器元件40优选沿旋转轴线15的方向是设置在钉头22的高度上。沿着旋转轴线15观察，感应式传感器元件40和钉头22搭接。螺丝刀头或其他工具的长度基本上是标准化的，从而至少钉头22的顶面30沿着旋转轴线的位置是已知的。感应式传感器元件40例如可以整合于深度止挡42的套筒41之中。感应式传感器元件40优选径向与旋转轴线15保持间距地设置并且相对于旋转轴线15非对称构造。环形的传感器元件40的轴线相对旋转轴线15错开设置。例如可以通过霍尔传感器、拾波线圈(Pickup-Spule)来实现例如感应式的传感器元件40。所示的实施形式采用了多个感应式传感器元件40。

例如在一惠斯通电桥中以微分测量方式实现传感器元件40的电路布线。一个第一传感器元件40接在一抽头与一馈给点之间，以及一个相同的第二传感器元件40接在另一抽头与另一馈给点之间。在两个另外的电桥中同样可以接有一相同的传感器元件，它是对磁场屏蔽的。

在操纵按键13时便激活了螺钉识别装置28和有源磁场传感器38，如果它们不是已经处于活性状态的话。电机11带动主轴14连同螺钉19绕旋转轴线15旋转。各筋条35由于旋转运动而接近和远离感应式传感器元件40。筋条35由于其磁性特性而影响磁场的延伸走向/分布并由此影响磁场在感应式传感器元件40区域内的强度。图4示意性地示出了示例信号44的振幅43，它是一个用于感应式传感器元件40中磁场强度的量度。振幅43总是在筋条35之一到感应式传感器元件40为最小距离时居于峰值45。由于设置了四个相同构造的、等距角度36的筋条35，故而信号44在时间t上周期性重复。换算到主轴14的角位置，便给出了最大值的位置。螺钉识别装置28的频率分析仪46由信号44确定出一种频谱或者说频谱的实数部分而无相位信息。信号44的频谱显示出在一基本频率f下的量值(峰值)，该基本频率相当于主轴14的转速(转动频率)的四倍(图5)。由于各筋条35的实体宽度，而在基本频率f的谐波中得到一些量值。基本频率f与转速(转动频率)的比例关系是由均匀设置的筋条35的数目所确定。特别是由筋条35的形状确定了频谱在基本频率和谐波中的相对振幅43′。

螺钉识别装置28包括存储装置29，在其中寄存了不同螺钉类型针对关停准则配置的频谱。各适用螺钉类型的区别在于其底面21的压印纹、特别是在于筋条35的数目。通过压印纹的编码也可以指示出软的垫片23或其他的特点。对于每一螺钉类型，都要在实验中求得一种适合的关停准则。这些针对螺钉类型的关停准则可以永久地存储于存储装置29中。存储装置29可以具有一次可写的或者重复可写的存储单元。可以在螺丝旋具10上或其中设置一个相应的有线连接的或者无线的通信接口47。

螺钉识别装置28借助于一搜索装置48在所存储的频谱中搜寻一种频谱，其符合于由信号44求得的频谱。绝对的频率(在此频率下，频谱具有最大值)可以用作对比的准则。优选按输出轴16的转速实现频率的标准化。为此，用一转速计49求得输出轴16和/或电机11的转速。在图5所示的实例中，转速(转动频率)是1Hz并且在4Hz和8Hz时出现显著大的振幅，它们按4和8时的转速标准化。可以采用振幅43′的一个阈值S，用来在频谱上抑制噪声的量值。该阈值S例如可以动态地根据频谱的绝对最大值来确定，例如确定为绝对最大值的10％或20％。

将配置于所选择之频谱的关停准则传送给关停装置24，以便调整关停装置24。关停准则例如可以是最大允许转矩、最大允许转矩增加率、用于离合器的分离转矩、用于深度止挡的安置深度。

关停装置24可以与一个或多个监控传感器电耦联，以便监控其通往一个或多个关停准则那里的信号。

监控传感器50例如检测电机11的功率消耗。当作用到主轴14上转矩增加时，通常电机11的功率消耗就提高。关停装置24例如可以将瞬时功率消耗相对一阈值进行比较，该阈值是调定为关停准则的。作为选择方案或附加地，功率消耗趋向一特征变化曲线被监控。

另一监控传感器51例如可以用作旋转传感器，直接检测作用到主轴14上的转矩。类似于监控传感器50而实现对其信号的分析处理和监控。

另一监控传感器52是以机械式的深度止挡42为基础。该深度止挡42具有一止挡53，该止挡沿着旋转轴线15突出于工具夹头17一段距离。止挡53是沿旋转轴线15可移动地支承的。深度止挡42例如可以构造为同心于旋转轴线15设置的套筒41的形式。监控传感器52求得深度止挡42在旋拧螺钉时所移动的路程。监控传感器52例如可以包括一电位计。关停装置24监控求得的路程，并将其与通过一种关停准则预先确定的最大的路程相比较。另一监控传感器52是以增量式的位置测量为基础。在机械式的深度止挡42上例如可以设置一磁带。关停装置24对增量求和。

另一监控传感器55是以非接触式的深度止挡与非接触式的测距仪56为基础。测距仪56可以在光学上、声学上或通过雷达技术测定到工件20表面的距离。一旦螺丝旋具10至工件20的距离低于一个由关停准则所调定的阈值，关停装置24就切断旋转运动。

有源磁场传感器38的磁场发生器39可以是一永久磁铁。优选是一电磁铁39。由电源57给电磁铁39供电。当操纵按键13时，优选激活电源57，并且当求得螺钉类型或关停电机11时，就切断电源。在此情况下，从电磁铁39上去除可能存在的钢屑，然后由使用者供给新的螺钉或者从料仓供给新的螺钉19。

电源57可以提供直流电。在另一可选方案中，在电磁铁39的供电上施加来自振荡器59的一个周期信号。将磁场传感器38所产生的信号44相位固定地同样与所述周期信号58混合，并滤出周期信号58的谐波。作为锁定放大(Lock-In-

)已知的信号处理措施可以用于改善信噪比。

有源磁场传感器38可以具有多个感应式传感器元件40，它们呈环形围绕旋转轴线15设置。通过加法器60对各信号44求和。在各传感器元件40与加法器60之间接有延迟元件61。延迟元件61根据感应式传感器元件40相对后面一个的传感器元件40的逆着主轴14的转向测量的相对角度以及必要时根据主轴14的转速将信号44予以延迟。用这两个传感器元件40在不同时间检测通过筋条35引起的调制变化。时间差通过延迟元件61进行补偿，借此将各信号在结构上堆叠于加法器60中。延迟元件61可以根据主轴14的转速以及必要时根据主轴14的转向进行调整。

若如上所述借助调制变化的频谱实现识别，螺钉19借助磁场的通过螺钉19的旋转的压印纹35而引起的特征性的调制变化的识别被证明是特别可靠的(robust)。

或者作为选择方案，也可以直接借助在时间变化曲线中记录的信号44来分析评价调制变化。例如，触发器模块62每当信号44超过一阈值时便通告一个事件。计数器63求得针对螺钉19某一预定旋转圈数的事件的数量。在存储装置29中相应地针对一种螺钉类型寄存该事件的数量。在另一可选择的实施形式中，中间存储器64记录旋转一圈的事件。将针对各螺钉类型的事件时间变化曲线的所属范样连同相应螺钉类型的关停准则一起寄存于存储装置29中。

Claims (15)

1.螺丝旋具，包括：

电机(11)；

主轴(14)，该主轴与所述电机(11)耦联，以便围绕一旋转轴线(15)旋转螺钉(19)；

可调的关停装置(24)，用以停止所述主轴(14)的旋转运动；

有源磁场传感器(38)，它设置为：能够通过该有源磁场传感器(38)对由有源磁场传感器(38)所产生的磁场的通过旋转的螺钉(19)而引起的调制变化进行检测；

螺钉识别装置(28)，它接在所述有源磁场传感器(38)与所述可调的关停装置(24)之间，以便根据由所述有源磁场传感器(38)检测到的调制变化来调整所述关停装置(24)的关停准则。

2.按照权利要求1所述的螺丝旋具，其特征在于，所述有源磁场传感器(38)的一个磁场敏感式传感器元件(40)设置为：使该磁场敏感式传感器元件(40)在旋转轴线(15)的方向上与螺钉(19)的钉头(22)搭接。

3.按照权利要求1或2所述的螺丝旋具，其特征在于，所述有源磁场传感器(38)具有一电磁铁(39)，该电磁铁设置于所述主轴(14)的工具侧一端。

4.按照上述权利要求之一项所述的螺丝旋具，其特征在于，所述关停装置(24)与所述电机(11)电耦联，以实现电机(11)的关停。

5.按照上述权利要求之一项所述的螺丝旋具，其特征在于，在电机(11)与主轴(14)之间的动力路径中接有一能够电操纵的离合器(25)，并且，所述关停装置(24)与所述离合器(25)电连接，以实现对该离合器(25)的操控。

6.按照上述权利要求之一项所述的螺丝旋具，其特征在于设有一监控传感器(51，52，55)，借助该监控传感器，能够检测用作主轴(14)至工件(20)的距离的量度的信号和/或用作传递到主轴(14)上的转矩的量度的信号，并且其特征在于，所述关停装置(24)与所述监控传感器(51，52，55)耦联，以便将所述信号与关停准则相比较。

7.按照上述权利要求之一项所述的螺丝旋具，其特征在于，所述螺钉识别装置(28)具有一频率分析仪(46)，用以确定调制变化的频谱。

8.按照上述权利要求之一项所述的螺丝旋具，其特征在于，所述螺钉识别装置(28)具有一存储装置(29)，其内储存有参数化的调制变化和配置于所述参数化的调制变化的关停准则；所述螺钉识别装置(28)具有一搜索装置(48)，用以选择出配置于一种参数化的调制变化的关停准则，该参数化的调制变化对应于由所述有源磁场传感器(38)检测到的调制变化。

9.按照上述权利要求之一项所述的螺丝旋具，所述有源磁场传感器(38)具有多个呈环形围绕所述旋转轴线(15)设置的感应式传感器元件(40)，在这些传感器元件(40)下游分别接有一延迟元件(61)用以延迟信号渡越时间。

10.用于螺丝旋具的控制方法，包括下列步骤：

借助电机(11)驱动主轴(14)，以便围绕一旋转轴线(15)旋转螺钉(19)；

在旋转的螺钉(19)的区域内产生一磁场；

借助有源磁场传感器(38)检测所述磁场的通过所述旋转的螺钉(19)而引起的调制变化；

根据检测到的调制变化，通过螺钉识别装置(28)选择关停准则；

一旦满足该关停准则，便通过关停装置(24)停止所述螺钉(19)的旋转。

11.按照权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述关停装置(24)在满足关停准则时使电机(11)处于去激活状态。

12.按照权利要求10或11所述的控制方法，其特征在于，在满足关停准则时，为了停止螺钉(19)的旋转，所述关停装置(24)将一个用于分离的控制信号发送给电机(11)与主轴(14)之间的离合器(25)。

13.按照权利要求10至12之一项所述的控制方法，其特征在于，求出调制变化的频谱并根据该频谱选择关停准则。

14.按照权利要求10至13之一项所述的控制方法，其特征在于，监控传感器(51，52，55)检测用作主轴(14)至工件(20)的距离的量度的信号和/或用作传递到主轴(14)上的转矩的量度的信号，并且其特征在于，所述关停装置(24)将检测到的信号与关停准则相比较。

15.按照权利要求10至14之一项所述的控制方法，其特征在于，关停准则的选择包含从存储装置(29)中选择关停准则，其中，搜索装置(48)选择出该关停准则，其在所述存储装置(29)中配置存储的参数化的调制变化对应于由所述有源磁场传感器(38)检测到的调制变化。

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