CN103286727A - 可调节扭力的冲击扳手 - Google Patents

Abstract

一种可调节扭力的冲击扳手，包括壳体，动力装置，调节装置，检测装置和控制装置，该动力装置包括一个可产生间歇性增大的扭矩的冲击机构；调节装置可手动地设定第一扭力值，并产生相应的第一扭力信号；检测装置可检测动力装置的转速，并产生相应的第一转速信号；控制装置可产生一个控制动力装置转速输出的控制信号；而且，控制装置根据调节装置输出的第一扭力信号产生第二转速信号，将第一转速信号与第二转速信号进行比较，并产生一个使动力装置的转速趋近于第二转速的控制信号。本发明不但可以有效地提高工作的效率和作业的准确度，而且便于操作者判断紧固作业过程的情况，有效地避免紧固件被磨损和工件被损坏的情况，提高了工具的使用寿命。

Description

可调节扭力的冲击扳手

技术领域

本发明涉及一种手持式电动扳手，特别是一种可调节扭力的冲击扳手。

背景技术

过去，操作者一般通过手动扳手对螺栓或螺母等紧固件进行拧紧作业，通过拧紧时手部的感觉，操作者可以判断螺栓或螺母等紧固件是否达到拧紧的程度。现在，随着手持式电动工具的发展，电动冲击扳手在紧固作业中开始被大量使用。但是，实际操作中存在着这样的问题：使用电动冲击扳手进行紧固作业时难以判断紧固件是否达到拧紧的状态，目前，操作者一般采用个人预判的方式，或是以工具工作到堵转的状态来判断紧固件是否拧紧，但是，这样不但会造成工件的损伤，也会影响电动工具的使用寿命。另外，还存在着这样的问题：电动冲击扳手的输出扭力不可调节，或者调节精度较低，因此，操作者在紧固作业时难以获得所需的紧固扭力，或者是输出扭力太小，使紧固件无法紧固到位，从而造成工件连接的不牢固；或者是输出扭力太大，使紧固件过载，从而造成紧固件的磨损或工件的损坏，并且也会影响工具的使用寿命。因此，本发明提出一种可调节扭力的冲击扳手，通过算法和装置的结合，能够以较高的精度调节冲击扳手的输出扭力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可调节扭力的冲击扳手，能够以较高的精度调节冲击扳手的输出扭力。

本发明的装置是：一种手持式旋转冲击工具，包括壳体，动力装置，调节装置，检测装置和控制装置，该动力装置包括一个可产生间歇性增大的扭矩的冲击机构；该调节装置可手动地设定第一扭力值，并产生相应的第一扭力信号；该检测装置可检测动力装置的转速，并产生相应的第一转速信号；该控制装置可产生一个控制动力装置转速输出的控制信号；而且，控制装置根据调节装置输出的第一扭力信号产生第二转速信号，将第一转速信号与第二转速信号进行比较，并产生一个使动力装置的转速趋近于第二转速的控制信号。

其中，一个改进的特点是：动力装置还包括一个电机，且检测装置设置该电机上。

其中，一个改进的特点是：检测装置包括一个速度传感器和一个测速PCB板。

其中，一个改进的特点是：控制装置包括一个与电机串联的电子开关，控制装置产生的控制信号为PWM信号，电子开关接收该PWM信号从而控制流经电机的电流占空比。

其中，一个改进的特点是：控制装置将第一转速信号和第二转速信号代入PID增量算法，并根据其结果产生PWM控制信号。

本发明的方法是：一种用于手持式旋转冲击工具的扭力调节控制方法，其流程步骤包括：

步骤S1，通过调节装置预设输出的扭力，控制装置读取与该扭力值相对应的信号；

步骤S2，控制装置根据储存在其中的扭力速度拟合方程式，将预设的扭力换算为需要输出的速度，或者根据通过扭力速度拟合方程式计算出的扭力速度对应表，查询到对应于预设扭力的需要输出的速度；

步骤S3，控制装置根据需要输出的速度产生一个PWM信号，并将该信号传输给电子开关；

步骤S4，检测装置检测电机实际的转速，并将相应的信号传输给控制装置；

步骤S5，控制装置将需要输出的转速和实际的转速代入PID增量算法，根据其结果产生PWM控制信号，并传输给电子开关以调节流经电机的电流的占空比，从而使电机输出对应于预设扭力的转速。

其中，一个改进的特点是：其流程步骤还包括：步骤S6，控制装置根据工具的温度和电压的变化对输出的转速进行补偿。

其中，一个改进的特点是：所述调制信号为一个PWM信号。

其中，一个改进的特点是：所述速度控制算法为PID增量算法。

本发明的有益效果是：使操作者可以根据紧固件和工件的情况，对冲击扳手的输出扭力进行精确的选择，使输出扭力与具体的紧固工况相匹配，不但可以有效地提高工作的效率和作业的准确度，而且便于操作者判断紧固作业过程的情况，有效地避免紧固件被磨损和工件被损坏的情况，提高了工具的使用寿命。

附图说明

图1-A是本发明的可调节扭力的冲击扳手的壳体示意图。

图1-B是本发明的可调节扭力的冲击扳手的装置结构示意图。

图2是本发明的可调节扭力的冲击扳手的动力装置示意图。

图3是本发明的可调节扭力的冲击扳手的调节装置示意图。

图4是本发明的可调节扭力的冲击扳手的检测装置示意图。

图5是本发明的可调节扭力的冲击扳手的控制装置示意图。

图6是本发明的可调节扭力的冲击扳手的扭力调节控制系统连接关系图。

图7是本发明的可调节扭力的冲击扳手的扭力调节控制流程图。

图8是本发明的可调节扭力的冲击扳手的PID控制过程示意图。

具体实施方式

参照附图1-A和1-B所示，本发明一种优选实施方式的可调节扭力的冲击扳手，包括壳体1、动力装置2、调节装置3、检测装置4和控制装置5。如附图2所示，动力装置2包括电机21，传动装置22，冲击装置23和输出装置24。具体地，传动装置22为齿轮减速系统，优选地采用行星齿轮减速系统，该传动装置的一端与电机连接，将电机输出的第一旋转速度转换为第二旋转速度，且第二旋转速度低于第一旋转速度。冲击装置23包含中间轴、锤和锤砧，锤套接在中间轴上，且，中间轴上设置有第一凹槽，锤的内侧面设置有第二凹槽，二者通过容纳于第一凹槽和第二凹槽之间的滚珠连接，因此，中间轴可以向锤传递旋转作用，同时，锤也可以在中间轴上相对运动。锤的一端设置有打击部，另一端连接有弹簧，且，该弹簧沿锤到锤砧的方向对锤提供偏压力。锤砧的一端设置有可与锤的打击部配合的砧部，另一端连接输出装置。其工作原理为：中间轴通过滚珠驱动锤进行旋转，锤通过打击部和砧部的配合驱动锤砧旋转；当锤砧旋转遇到阻力时，该阻力通过砧部和打击部的配合传递给锤，随着滚珠沿凹槽的运动，锤抵抗弹簧的偏压，越过结合的砧部离开锤砧一段距离，然后在弹簧的偏压下，再旋转地返回，并对砧部进行打击。在锤砧遇到阻力的期间，锤在中间轴上旋转地进行往复的轴向预定弄，从而产生间歇性增加的扭矩。输出装置24包括设置于锤砧端部的夹持部分，以及可拆卸地连接于该夹持部分的夹持附件，夹持部分和夹持附件可分别夹持匹配的紧固件，如螺栓、螺母、螺丝等等。如附图3所示，调节装置3包括显示组件31和设置组件32。显示组件31可以采用LED灯的显示方式，其接收设置组件发送的电信号，并显示对应的扭力档位。显示组件也可以采用LCD数字显示的方式，其可显示设置组件所设定的扭力数值。设置组件32可以采用扭力杯的设置方式，通过旋转扭力杯设置扭力档位，产生相应的电信号并传输给显示组件。设置组件32也可以采用LCD数字设置方式，通过按钮设置具体的扭力设置，并将相应的电信号传输给显示组件。如附图4所示，检测装置4设置于电机21的后端，包括速度传感器41和测速PCB板42，该速度传感器41感应电机枢轴的旋转速度，并转换为另一种物理信号，如电信号、磁信号或者光信号，测速PCB板42对该信号进行处理换算从而得到一个对应的转速信号，而且，测速PCB板42实时地将该实际转速信号传输给主PCB板。如附图5所示，控制装置5包括扳机开关51和主PCB板52。扳机开关51与主PCB板52连接，操作者可以通过按压扳机开关51启动冲击扳手进行工作。主PCB板52与调节装置3和检测装置4连接，并控制整个扭力调节过程。

参照附图6所示，详细说明本发明可调节扭力的冲击扳手的扭力调节控制系统，该扭力调节控制包括电源6、电机21、电子开关7、检测装置4、调节装置3、主PCB板52和扳机开关51。其中，电源6是由可拆卸地连接于冲击扳手的电池包所提供的DC直流电源，其分别对电机21和主PCB板52提供电压。电源6对于电机21是直接进行电压加载，对于主PCB板52的电压加载则需要经过LDO线性降压器或者DC-DC降压器。电机21的一端与电源6连接，另一端通过电子开关7接地，该电子开关7可以选用MOSFET管、继电器和可控硅等元件其中的一种，本实施例优选地采用MOSFET管。检测装置4设置于电机上，并对主PCB板52输出信号。检测装置4包括速度传感器41和测速PCB板42，速度传感器41可以选用电感传感器、霍尔(Hall)传感器和光电传感器其中的一种，本实施例优选地采用光电传感器。测速PCB板42通过沿的捕捉比较、计数和计时进行检测，将速度传感器41所感应的信号转换为实际的转速信号，并传输给主PCB板52。调节装置3可与主PCB板52互相传递信号。一方面调节装置3可以向主PCB板52传输操作者所设定的预设扭力档位或者扭力数值，另一方面其也可以接收主PCB板52传输的信号以显示冲击扳手的实际工作扭力数值。主PCB板52分别与电源6、电子开关7、检测装置4、调节装置3和扳机开关51相连，并控制整个扭力调节过程。具体地，主PCB板52通过电子开关7控制电机21的供电回路，并且可以对该电子开关7进行PWM控制，调节流经电机21的电流的占空比，从而调节电机21的转速。主PCB板52接收调节装置3发送的扭力信号，经处理换算得到一个对应的输出转速信号，并对电子开关7输出相应的PWM信号，使电机21作出相应的输出。另外，主PCB板52接收检测装置4发送的实际转速信号，将该实际转速信号与输出转速信号进行比较，经处理换算得到一个对应的控制信号，并根据该控制信号调节PWM信号，从而使电机21的实际转速趋近于与设定的扭力所对应的输出转速。此外，主PCB板52还包括一个电压检测模块53，其检测电源6的电压并将信号传输给主PCB板52，主PCB板52将该信号与存储的预设阈值进行比较，从而对电源6进行低压保护，当电源电压降至阈值之下，即进行警告并切断供电回路。本实施例的主PCB板52的控制单元优选地采用一个8位或16位的单片机，其10管脚分别用于扳机开关51的判断，调节装置4的显示的驱动，检测装置4的转速检测信号的判断，以及电子开关7的PWM控制。扳机开关51其可通过机械按压动作对主PCB板52输入信号，使主PCB板52接通电机21的供电回路，从而启动机器。

参照附图7所示，详细描述扭力调节控制过程的流程步骤，具体步骤如下：

步骤S1是读取设定扭力。操作者通过调节装置3设置预输出的扭力值，主PCB板52读取与该扭力值相对应的电信号；

步骤S2是速度计算。主PCB板52根据储存在其中的扭力速度拟合方程式，将预设的扭力值换算为需要输出的速度值，或者根据通过扭力-速度拟合方程式计算出的扭力-速度对应表，查询到对应于预设扭力值的需要输出的速度值；

步骤S3是速度输出，主PCB板52根据需要输出的速度获得一个PWM信号，并将该信号传输给MOSFET电子开关7，调节流经电机21的电流的占空比，从而使电机21输出对应预设扭力值的转速；

步骤S4是速度反馈，通过速度传感器41和测速PCB板42实时检测电机21的转速，并将相应的信号传输给主PCB板52。进行速度反馈的原因在于：由于负载、电源电压、工作温度等因素的影响，电机21实际输出的速度与需要输出的速度并不一致；

步骤S5是PID控制，主PCB板52根据需要输出的转速值和当前实际的转速值进行速度的PID控制。下文将详细说明PID控制的具体过程；

步骤S6是温度、电压补偿，由于传动系统温度升高时，输出扭力会受到影响，通过预先设定的温度扭力变化曲线可以调节输出速度，对由于温度变化产生的误差进行补偿；而由于电源电压下降，导致输出达不到设定扭力输出时，则进行警告并切断供电回路；

根据以上六个步骤可以实现工具系统稳定地输出预设的扭力。

参照附图8所示，详细说明PID控制的具体过程。主PCB板52采用恒定的采样周期T通过检测装置4对实际输出的速度进行采集，将需要输出的转速值和实际采集的转速值代入PID增量算法，PID增量算法为本领域公知的计算方法，在此不再详细进行说明，从而计算出转速的偏差值。然后，将偏差值的比例、积分和微分通过线性组合构成控制参量，再将该控制参量进行增量积分，最后主PCB板52根据该积分结果获得一个PWM控制信号，并将该PWM信号传输给执行机构，由执行机构对被控机构进行控制，其中，执行机构为MOSFET电子开关7，被控机构为电机21，MOSFET电子开关7根据接收的PWM信号调节流经电机21的电流的占空比，从而实现输出转速的PID控制。

以上所描述的具体实施方式只是对本发明的构思和原理进行阐述，并非要对本发明的内容进行限制。本领域的普通技术人员可以意识到，除了上述首选的具体实施方式之外，本发明还有很多其他替代的或者修改的实施方式，这些替代的或者修改的实施方式仍然在本发明的范围之内。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (9)

1.一种手持式旋转冲击工具，包括壳体，动力装置，调节装置，检测装置和控制装置，

所述动力装置包括一个可产生间歇性增大的扭矩的冲击机构；

所述调节装置可设定第一扭力值，并产生相应的第一扭力信号；

所述检测装置可检测动力装置的转速，并产生相应的第一转速信号；

所述控制装置可产生一个控制动力装置转速输出的控制信号；

其特征在于：所述控制装置根据调节装置输出的第一扭力信号产生第二转速信号，将第一转速信号与第二转速信号进行比较，并产生一个使动力装置的转速趋近于第二转速的控制信号。

2.根据权利要求1所述的手持式旋转冲击工具，其特征在于：所述动力装置还包括一个电机，且所述检测装置设置该电机上。

3.根据权利要求2所述的手持式旋转冲击工具，其特征在于：所述检测装置包括一个速度传感器和一个测速PCB板。

4.根据权利要求2所述的手持式旋转冲击工具，其特征在于：所述控制装置包括一个与电机串联的电子开关，控制装置产生的控制信号为PWM信号，电子开关接收该PWM信号从而控制流经电机的电流占空比。

5.根据权利要求1所述的手持式旋转冲击工具，其特征在于：所述控制装置将第一转速信号和第二转速信号代入PID增量算法，并根据其结果产生PWM控制信号。

6.一种用于手持式旋转冲击工具的扭力调节控制方法，其特征在于，流程步骤包括：

步骤S1，通过调节装置预设输出的扭力，控制装置读取与该扭力值相对应的信号；

步骤S2，控制装置根据储存在其中的扭力速度拟合方程式，将预设的扭力换算为需要输出的速度，或者根据通过扭力速度拟合方程式计算出的扭力速度对应表，查询到对应于预设扭力的需要输出的速度；

步骤S3，控制装置根据需要输出的速度产生一个调制信号，并将该信号传输给与动力装置连接的电子开关，使动力装置产生输出；

步骤S4，检测装置检测动力装置实际输出的转速，并将相应的信号传输给控制装置；

步骤S5，控制装置将需要输出的转速和实际的转速代入速度控制算法，根据其结果产生调制信号，并传输给电子开关，从而使动力装置输出对应于预设扭力的转速。

7.根据权利要求6所述的扭力调节控制方法，其特征在于：其流程步骤还包括：

步骤S6，控制装置根据工具的温度和电压的变化对输出的转速进行补偿。

8.根据权利要求6所述的扭力调节控制方法，其特征在于：所述调制信号为一个PWM信号。

9.根据权利要求6所述的扭力调节控制方法，其特征在于：所述速度控制算法为PID增量算法。

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