CN103056818B - 用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法及其电动扳手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法及其电动扳手，其包含步骤：1）设定一预设扭矩值并传送给一控制电路；2）该控制电路利用一电子开关将电源供给扳手电机以驱动其旋转并经减速机构输出而输出扭矩；3）该控制电路检测该扳手电机的转速，并与预设扭矩值比较；4）当达到所要求的数值时，利用电子开关关断扳手电机的电源。本发明借助以扳手电机的转速数据作为控制要点，提高了控制分辨率，可人为的为马达创造三个相互涵盖的工作扭力曲线，以此将原先较为平缓的扭力曲线转换为较陡的扭矩范围曲线，拉大了起始力矩与过载力矩的差值，从而使控制输出的范围和精度大幅提高。

Description

用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法及其电动扳手

技术领域

本发明涉及一种定扭矩扳手及其扭矩控制方法，尤其涉及一种用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法及其电动扳手。

背景技术

一般的对于高强螺栓的紧固都要先初紧再终紧，而且每步都需要有严格的扭矩要求。大六角高强螺栓的初紧和终紧都必须使用定扭矩扳手。电动扭矩扳手是由电动机，及形星状齿轮组组成的增力型扳手。它具有体积小、重量轻、拆锁速度快、最大扭矩可达20000Nm。是比液压扳手具有更高效经济的选择，可出色完成大直径螺栓螺母的装卸的任务，而且与液压扳手一样，不带冲击性，并且其拧紧和拆卸速度比液压扳手更快，可进一部提升效率，价格则比液压扳手更经济，具有免维护的优点。

通常电动定扭扳手可分为电流式和动态扭矩传感器式两种，其均是由控制器和拧紧轴组成。电流式定扭扳手根据电机拧紧过程中电流值的变化来判断扭力值，当达到预定扭力时，电机停止工作。而动态扭矩传感器式是在拧紧轴上安装有传感器，时刻监测扭力值的变化，当达到预定扭力时，电机停止工作。

通常，拧大扭矩螺栓等需要力矩较大的场合，一般是采用前一种，而现今国内外包括国际多家知名厂家的现有的该种定扭矩电动扳手对扭矩的控制一般采用的都是电流分量控制，如图1所示，其包括控制电路(包括电流传感器141及控制器14)及扳手电机13、变速机构(图中未示)、输出轴(图中未示)等，该控制电路可以设定一预设扭矩值，工作时，该控制器中的控制模块利用电子开关12将电源11的电力供给电机13以驱动其旋转并经减速机构输出而输出扭矩，同时接收电流传感器 141检测的电流信号值，经并与预设扭矩根据预设曲线函数转换后的值比较，当达到所要求的数值时，利用电子开关12关断电机的电源，以实现定扭矩操作，其实现通常是将电流传感器141串联到供电电路中，当电扳手工作时，电流传感器141上就有电流通过，也就是会在电流传感器141上产生电压，将此电压再发给控制器中的比较器(可利用预设的转换模型转换进行比较，或者利用预先储存的对照表进行比对)与预设扭矩所设定标准电压进行比较，以判断是否可以关断电子开关。

虽然，这种单纯的电流控制是比较简单的，但这是在理想状态下的电流与扭矩关系下，然而经研究发现：输出力矩的波动和变化受扳手电机的转速影响很大，而且扳手电机作为一个电流型的负载，在工作力矩小幅波动的时候电流变化不明显或基本无变化。也就是说，在实际工况中，小扭矩输出时，扭矩变化幅度大，电流变化幅度小，大扭矩控制输出的时候，扭矩变化幅度小，电流变化幅度很大，特别是在扳手电机满载输出或过载的时候，扭矩曲线与电流曲线函数关系很复杂！并且，在启动的时候，扳手电机是静态的，启动电流很大，是正常工作的5到7倍，几乎涵盖了所有扭矩输出范围的电流值，仅仅捕捉电流就会导致启动的时候就保护停机了！另外，实际在紧螺栓的时候由于螺栓的某道丝牙有加工缺陷，或者丝牙里嵌有细沙之类的异物，也会让扳手电机的电流突然增大，导致检测错误！因而其有着如下缺点，采取电流分量控制技术的定扭矩扳手只能实现扭矩的粗犷式分档控制，控制精度低，且无法实现扭力输出的无极调节，其抗干扰能力差。因而现有的通常是采用段位开关设置预设扭矩，因而其远不能满足高精度使用的工况要求。

另外，因为瞬间电流捕获检测精度无法满足以往用电流控制的时候发现电流在几百个毫安变化的时候，扭力在扳手电机不同的工况曲线上做功的线性度不一致，也就是说在控制输出小扭矩的时候电流上升很快， 而扭矩变化却不明显，可是在大扭矩输出的时候扭矩变化快，同时电流变化幅值也很大，甚至成倍增长，这样一来硬件的设计就有很大难度。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明目的在于提供一种可无级设定，并且可采用多指标控制(例如转数、电流、电压)的数控定扭矩电动扳手。本发明的新型定扭扳手除了使用电流分量控制数据外，增加对扳手电机的转速数据检测，并借助电流与转速的波动之间的函数关系，而形成一种控制输出扭矩的新方法。另外，在扳手电机输出扭力的非线性区，可采取插值算法，以能够对扳手电机在整个输出扭矩范围的控制精度大幅的提高。

为达上述目的，本发明的一种用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法，其包含步骤：

1)设定一预设扭矩值并传送给一控制电路；

2)该控制电路利用一电子开关将电源供给扳手电机以驱动其旋转并经减速机构输出而输出扭矩；

3)该控制电路检测该扳手电机的转速，并与预设扭矩值进行逻辑比较；

4)当达到所要求的数值时，利用电子开关关断扳手电机的电源。

进一步的： 

该控制电路是利用预存的转速-扭矩的函数模型转换以进行比较。

在步骤2)中，该电子开关是通过可控硅移相触发调功电路或者该电子开关为一个可控硅移相触发调功电路而将电源供给扳手电机。

该控制电路根据该预设扭矩值，选择合适该电动扳手的电流工作区间，并控制可控硅的导电角以控制输送至扳手电机的电流在该电流工作区间。

该控制电路还接收一电流传感器检测的该扳手电机的电流值以控制该电流值恒定。

在步骤2)中，首先利用电流传感器检测扳手电机的工作电流，并判断其处于的工作区段，然后进行后续步骤以利用该工作区段所对应的转速-扭矩转换模型中的转换关系曲线模型控制扭矩。

本发明还提供了一种数控定扭矩电动扳手，其包含：

一个扳手电机；

一个变速机构；

一个输出转轴，该扳手电机旋转并经该减速机构通过该输出转轴输出扭矩；

一个扭矩设置装置；

一个电子开关，电连接于该扳手电机以控制该扳手电机的电源通断；

一个扳手电机转速传感器，检测该扳手电机的转速并输出一转速信号；

一个控制器，该控制器能接收扭矩设置装置设置的预设扭矩，且能接收该转速信号并与该预设扭矩值进行逻辑比较，并于所述转速信号值达到预设扭矩要求时，控制该电子开关关断以使该扳手电机停转。

进一步的，该电子开关包含一个可控硅移相触发电路。

该控制器包含一个工作电流选择模块，该电流选择模块依据预设扭矩值选择一给定驱动电流，并使该控制器控制该可控硅移相触发电路输出该给定驱动电流至该扳手电机。

其还包含一个电流传感器，其检测该扳手电机的工作电流并输出一个电流信号反馈给该控制器。

其还包含一个电流传感器，其检测该扳手电机的工作电流并输出一个电流信号反馈给该控制器，该控制器包含一个工作电流区段比较器， 该工作电流区段比较器接收电流信号并输出一个工作电流区段信号，该控制器依据该工作电流区段信号选择一个转速-扭矩转换模型进行转速信号预设扭矩值的逻辑比较。

还包含一恒流电路电连接于该电子开关该扳手电机之间，并接收该控制器输出的电流选择信号以输出一给定驱动电流至该扳手电机。

该控制器是控制可控硅移相触发电路中的可控硅的导电角以控制输出电流恒定。

该扭矩设置装置为无级数字存储式输入装置。

该控制器为可编程控制器或者单片机。

可编程控制器或者单片机的存储器存储多个电流-转速-扭矩的曲线。

本发明的有益效果在于，本发明借助以扳手电机的转速数据作为控制要点，提高了控制分辨率，可人为的为马达创造三个相互涵盖的工作扭力曲线，以此将原先较为平缓的扭力曲线转换为较陡的扭矩范围曲线，拉大了起始力矩与过载力矩的差值，从而使控制输出的范围和精度大幅提高。事实证明其控制精度可达到±3％；因而可满足扭力输出的无极调节之需求，且其抗干扰能力强。能够对马达在整个输出扭矩范围的控制精度大幅的提高。且使电动扳手的适用性大大增强，即使在供电不稳定地区也能达到高精度使用的要求。

附图说明

图1为现有定扭矩电动扳手的结构示意图；

图2为本发明一具体实施例的结构示意图；

图3为本发明另一具体实施例的结构示意图；

图4为本发明一具体实施例的工作流程示意图；

图5为本发明另一具体实施例的工作流程示意图。

主要附图标记：

11 电源

12 电子开关

13 扳手电机

14、24 控制电路

241 转速传感器 

141 电流传感器。 

具体实施方式

为了使发明的特征，优点能被进一步了解，以下结合附图并举具体实施例做详细说明之：

如图2及图4所示，为本发明一具体实施例的结构示意图及工作流程示意图，其包括以下步骤：

1、设定一预设扭矩值并传送给一控制电路24；

2、该控制电路利用电子开关将电源11供给扳手电机13以驱动其旋转并经减速机构输出而输出扭矩；

3、检测该扳手电机13的转速，并与预设扭矩值进行逻辑(通过转速-扭矩关系曲线模型比较)比较；

4、当扭矩值达到所要求的数值时，利用电子开关12关断扳手电机13的电源。

也就是说，其包括电源11、电子开关12、控制电路(包括转速传感器241及控制器24)及扳手电机13、变速机构(图中未示)、输出轴(图中未示)等，该控制电路可以设定一预设扭矩值，工作时，首先，通过一个扭矩设置装置设置一预设扭矩值，该扭矩设置装置可为拨盘、按键等各种输入设备，其较佳为采用数字存储式输入装置设置，以使其能满足无级调整的需求。

然后，利用电子开关12将电源11供给扳手电机13以驱动其旋转并经减速机构输出而输出扭矩；

同时，利用一转速传感器241检测该扳手电机的转速，并与预设扭矩值比较，当达到所要求的数值时，利用电子开关关断电机的电源。

其中该转速可以用扳手电机转一圈所用的时间表示，并通过机械部分的变比常数以及扳手电机转速的下降与反作用力的扭矩线性关系(即利用一预设的函数模型将转速转换为工作力矩值)转换成实时扭矩以与预设扭矩值比较，本领域技术人员可以理解的是，亦可以先将预设扭矩值通过上述方法预先转换为对应的预设转速然后进行比较，通常是于该控制器中存储转换关系曲线模型，其具体的比较方式及转换技术可与现有的电流控制式电动扳手的技术相同。

本发明由于利用扳手电机转速的下降与反作用力的扭矩成线性关系来控制扭矩，而且其线性度很好，其在电动扳手的较佳工作区域内，扭矩曲线与转速曲线函数关系的线性很好，而且其转换常数基本恒定，因而能满足控制精度1％到3％的要求，该控制方案所能满足无级调整输出定扭矩的要求。

但是当电动扳手的工作区间比较大的时候，机械部分的变比常数以及扳手电机转速的下降与反作用力的扭矩成线性关系会存在着比较大的变化，例如在扳手电机是在小功率输出或大功率输出时，其转换常数有比较大的变化，为了使电动扳手能有较大工作区间，其可进一步增加指标控制。

在研究中发现，较佳的是利用检测到的电流值来区分扳手电机做功的区间，也就是说检测电流的目的是检测扳手电机是在小功率工作还是功率输出，以此，可使由电流分段以后的区间里，利用扳手电机转速的下降与反作用力的扭矩成线性关系来控制扭矩，而且其线性度很好，能 满足控制精度1％到3％的要求，该控制方案能满足无级调整输出定扭矩的要求。也就是说在经电流检测后划分的做功的区间，其精度是由转速完成的。

因此，如3及图5所示，为本发明另一具体实施例的结构示意图及工作流程示意图；于本发明的另一具体实施例中，首先是根据预设输出扭矩，利用预存的扭矩-电流工作模型选择一适合的给定驱动电流，并以该给定驱动电流提供予电动扳手电机进行作业，其可确保此时扳手电机转速的下降与反作用力的扭矩成线性关系转换常数恒定，较佳的可采用可控硅移相触发调功给定的方法，具体的来说，就是可以采用移相的方式，通过检测交流电的零点，控制可控硅的导电角，利用在特定的导电角开始导通，使扳手电机能够在半工或者更低的工况工作，此时其工作电流可大致维持到所需的范围内，这样可以加大电动扳手的输出扭矩范围，并保持较高的可无级设定的扭矩输出，其优点是比如，在不控制扳手电机输入电流的时候扳手的工作范围只能在600牛米到1200牛米，增加这个控制可以让工作范围扩大到200牛米到1200牛米，并保证精度。

本实施例包括步骤：

1、设定一预设扭矩值并传送给一控制电路24；

2、该控制电路24利用电子开关将电源11供给可控硅移相触发调功电路31电力；

3、该控制器24根据该预设扭矩值，依据预先存储的对比表，选择合适本电动扳手的电流工作区间，并控制可控硅的导电角以控制并驱动扳手电机13旋转并经减速机构输出而输出扭矩(控制可控硅的导电角使输送至扳手电机的电流在该电流工作区间内)；

4、检测该扳手电机13的转速，并与预设扭矩值进行逻辑比较；

5、当达到所要求的数值时，利用电子开关12关断扳手电机13的电 源。

当然给定电流并不限于上述方法，本领域技术人员可以理解的是，亦可以采用其它恒流技术达到控制电机工况的要求，例如可设置一恒流电路电连接于该电子开关该扳手电机之间，并接收该控制器输出的电流选择信号，以输出一给定驱动电流至该扳手电机。而且，较佳的可直接用可控硅移相触发调功电路31涵盖电子开关将电源11的切换功能，以简化电路。

另外，该数控定扭矩电动扳手还可包含一电流传感器141，其检测该扳手电机的工作电流并输出一电流信号反馈给该控制器；并使该控制器以该电流信号作为比较的修正参数。

本发明的再一具体实施例中，其控制构思基本与上述方法相同，与上述实施例不同之处在于，其不是先选择工作电流的范围，而是首先利用电流传感器检测电机工作电流，并判断其处于的工作区段，然后利用相应的转换关系曲线利用扳手电机转速的下降与反作用力的扭矩成线性关系来控制扭矩。具体的来说就是该控制电路可存储转速-电流-扭矩的函数模型，在该具体实施例中，其是依据实际工作的电流值而选择适当的转速-扭矩转换模型，因而该方法可使该数控定扭矩电动扳手实现更宽的工作范围。

综上所述，本发明主要是可利用检测到的转速与电流数据共同控制数控定扭矩电动扳手的定扭矩控制，其将转速数据作为精度控制要点，而将电流采集的数据作为分段的条件，并建立转速-电流-扭矩的函数模型，以形成一种控制输出扭矩的新方法，并且上述控制方法可应用芯片控制(例如使用可编程控制器，或者单片机进行控制)并以此数据为基点对整个扳手电机输出扭矩范围建模，提高了控制分辨率，从而使输出扭矩的控制得到极大地提高，事实证明其控制精度可达到±3％。另外， 在扳手电机输出扭力的非线性区，还可采取插值算法，以能够对扳手电机在整个输出扭矩的控制精度大幅的提高。

较佳的，该控制器可利用可编程控制器或者单片机的存储器存储多个电流-转速-扭矩的曲线，以根据需求进行选择。

综上所述，本发明确实可达到上述诸项功能及目的。但以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施范围；因此，凡依本发明申请专利范围及创作说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法，其特征在于，其包含步骤：

1）设定一预设扭矩值并传送给一控制电路；

2）该控制电路利用一电子开关将电源供给扳手电机以驱动其旋转并经减速机构输出而输出扭矩，在此步骤中，是首先利用电流传感器检测扳手电机的工作电流，并判断其处于的工作区段，然后进行后续步骤，以利用该工作区段所对应的转速-扭矩转换模型中的转换关系曲线模型控制扭矩；

3）该控制电路 检测该扳手电机的转速，并与预设扭矩值比较；

4）当达到所要求的数值时，利用电子开关关断扳手电机的电源。

2.根据权利要求1所述的用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法，其特征在于：该控制电路是利用预存的转速-扭矩的函数模型转换以进行比较。

3.根据权利要求1或2所述的用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法，其特征在于：

在步骤2）中，该电子开关是通过可控硅移相触发调功电路或者该电子开关为一个可控硅移相触发调功电路而将电源供给扳手电机。

4.根据权利要求3所述的用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法，其特征在于：

该控制电路根据该预设扭矩值，选择合适该电动扳手的电流工作区间，并控制可控硅的导电角以控制输送至扳手电机的电流在该电流工作区间。

5.根据权利要求3所述的用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法，其特征在于：

该控制电路还接收一电流传感器检测的该扳手电机的电流值以控制该电流值恒定。