CN103707255A - 间接耦合的扭矩控制方法及其机构 - Google Patents

Abstract

一种间接耦合的扭矩控制方法及其机构，其提供一旋转敲击机构，于旋转敲击机构带动一被锁固件作转动时，将一螺旋机构连动于旋转敲击机构与被锁固件之间，螺旋机构能蓄积旋转敲击机构为带动被锁固件转动而产生的旋转应力；而当蓄积于螺旋机构的旋转应力大于转动被锁固件的扭矩时，由螺旋机构蓄积的旋转应力所测量出的感测信号与施加于所述被锁固件的扭矩值为一线性关系；利用上述线性关系即能控制旋转敲击机构对被锁固件于转动时所产生的扭矩。

Description

间接耦合的扭矩控制方法及其机构

技术领域

本发明涉及一种动力锁紧工具，尤指适用于具旋转敲击机构的脉冲式或冲击式动力扳手上，可作为控制其对被锁固件提供扭矩时的一种间接耦合的扭矩控制方法及其机构。

背景技术

相较于油压脉冲式动力扳手、伺服电动扳手或棘轮扳手，动力冲击式扳手能够更有效且快速地将输入的能量（如气压、油压或电流等）转换成锁紧或松脱的扭矩。相对地，以相同的扭转能力而言，冲击式动力扳手的体积也最小。除此之外，冲击式动力扳手的另一项优点，因为采用瞬间锤击的方式，无论在锁紧或松脱的过程中都不需要借助反作用力臂（Reaction Arm/Bar）来施加反向的扭矩于被锁固件，对于旋紧或松脱螺栓或螺帽而言，非常方便。原因在于冲击式动力扳手采用瞬间敲击的方式，犹如榔头敲击铁钉，不仅很省力，而且在旋转敲击过程中，不需反作用力臂。然而噪音大是其缺点之一，更难克服的问题则是受限于感测信号截取的方式，传统冲击式动力扳手在施加扭矩于被锁固件的过程中，始终无法做到及时精确的扭矩控制。

所谓及时精确的扭矩控制，就是期望扭矩控制机构在施加扭矩于被锁固件的过程中，能够有效地将扭矩控制于一定的范围内。控制精准度和一致性，决定了扭矩控制的优劣。装有感应器的闭回路式（Close Loop）扭矩控制，当然比单纯依赖气（油）压、流量和时间来达到控制敲击脉波的幅度和次数，然后利用一关系对照表来推测被锁固件端旋紧扭矩的所谓开回路式（Open Loop）扭矩控制，更加精准。换言之，闭回路扭矩控制的先决条件，在于能不能够及时检测到感应器回馈的信号。见诸于渐进式的扭矩控制工具，例如油压动力扳手、伺服电动扳手等，其感应器所回馈的扭矩信号是一种连续性，和施加的扭矩几乎形成线性关系的信号，而此一稳定、线性的扭矩信号当然可以用于扭矩控制，故已经被广泛地引用于精密扭矩控制的工艺上。唯独冲击式动力扳手的扭矩控制尚未被开发出来。数十年来，针对冲击式动力扳手的扭矩控制，国内外业者不余遗力地尝试进行开发，然而却都陷于理论探讨或理想之中。市场上至今尚无实际可行的闭回路式（Close Loop）的即时扭矩控制机构，被成功地引用于冲击式动力扳手来控制扭矩。由此可见在技术上有相当的困难度。

如前所述，由于受限于感测信号的截取方式，装置于冲击式动力扳手前端的扭矩感应装置，例如扭矩计或应变规（Strain gauge）等，只能够感测到敲击时瞬间产生的脉波，并不能及时反应被锁固件端的旋紧扭矩。换言之，敲击所产生的脉波，其幅度（震幅）和次数（震频），代表着传输到冲击式动力扳手驱动轴瞬间的能量。虽然能量的大小和被锁固件端的旋紧扭矩有着正向关联性，却不等于被锁固件端的锁紧扭矩。实验显示累积于被锁固件端的锁紧扭矩，与敲击脉波的幅度、次数没有直接关联。如图1所示，感应器所回馈的脉波信号，很难当成扭矩控制的参考数据，此亦为以往冲击式动力扳手之所以很难做扭矩控制的根本原因，即在于其扭矩感应器受到敲击时，产生的并不是一个稳定、线性的连续信号，而是间断性的脉冲信号。

由于传统的冲击式动力工具的运作是由马达带动一旋转敲击机构，将旋转动能转换成脉冲式的敲击，经由驱动轴传递到被锁固件以克服静态摩擦力，进而将被锁固件予以锁固，所以其扭矩传递的方式是属于直接耦合的传递，且驱动轴受到敲击时所产生的变形量是间歇性，如将感应元件贴在驱动轴上，测得的是一连串的脉波信号。个别的脉波信号并不能够及时反应出被锁固件端的锁紧扭矩，故冲击式动力扳手无法对被锁固件做及时、有效、精确地扭矩控制。

发明内容

本发明的主要目的，在于可提供一种间接耦合的扭矩控制方法及其机构，其是利用一螺旋机构，将扭矩传递的方式由直接耦合改成间接耦合（Indirectcoupling）；当敲击时产生的旋转动能，不是直接传递到驱动轴，而是将脉冲式的冲击能量，通过螺旋机构施加一夹紧力（Clamping Force）或拉伸张力于感应元件，直到克服被锁固件端的静态摩擦力，即可通过感应元件测量出一线性信号。而间接耦合的方式就是将螺旋机构内蓄积的应力，及时地和被锁固件端的扭矩做动态平衡，因此可从感应元件所测量到的线性信号来推算出被锁固件端的扭矩。

为了达成上述的目的，本发明提供一种间接耦合的扭矩控制方法，其步骤如下：

a)提供一旋转敲击机构，该旋转敲击机构能带动一被锁固件作转动；

b)将一螺旋机构连动于该旋转敲击机构与所述被锁固件之间，该螺旋机构能蓄积该旋转敲击机构为带动所述被锁固件转动而产生的旋转应力；

c)当蓄积于该螺旋机构的旋转应力大于转动所述被锁固件的扭矩时，由该螺旋机构蓄积的旋转应力测量出的感测信号与施加于所述被锁固件的扭矩值为一线性关系；

可利用上述线性关系以控制该旋转敲击机构对所述被锁固件于转动时所产生的扭矩。

为了达成上述的目的，本发明提供一种间接耦合的扭矩控制机构，用于与一旋转敲击机构连动以转动一被锁固件，该扭矩控制机构包括：

一入力螺套，由所述旋转敲击机构驱动；

一传动螺杆，由入力螺套旋紧而驱动一末端驱动轴，以对所述被锁固件进行转动；

一施压元件，由入力螺套带动而于入力螺套上作轴向位移；以及

一感应元件，位于该传动螺杆上且设置于施压元件的轴向位置处，以供施压元件对其进行挤压或拉伸；

其中，入力螺套分别以正、反牙螺纹螺设于传动螺杆与施压元件之间；可通过旋转敲击机构驱动入力螺套，以带动施压元件位移而对感应元件予以挤压或拉伸，从而测量荷重元件的感测信号以得知对应的输出扭矩值并作为扭矩控制所需。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1现有冲击式动力扳手的敲击机构于捶打后产生的脉波信号图；

图2本发明扭矩控制机构第一实施例的立体分解图；

图3本发明扭矩控制机构第一实施例的剖视示意图；

图4为图3的4-4断面剖视图；

图5举例说明通过本发明扭矩控制机构可测量出的电压值与扭矩的关系为一线性关系图；

图6本发明扭矩控制机构第二实施例的剖视示意图。

其中，附图标记

扭矩控制机构1

入力螺套  10             内螺纹   100

外螺纹   101

传动螺杆  11             外螺纹   110

导管     111             轴套     112

端部     113             螺栓     114

施压元件  12             内螺纹   120

套孔     121

感应元件  13             扣件     130

末端驱动轴14

旋转敲击机构2

前端驱动轴20

马达       3

被锁固件   4

具体实施方式

为了能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附的附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

请参阅图2及图3，分别为本发明扭矩控制机构第一实施例的立体分解图与剖视示意图。本发明提供一种间接耦合的扭矩控制方法及其机构，所述扭矩控制机构1即为一螺旋机构，用于与一旋转敲击机构2连动，所述旋转敲击机构2系通过一马达3（如图3）带动而作动，进而驱动一前端驱动轴20旋转；由于此部分可为一般传统冲击式动力工具的基本架构，故不再予以赘述。而该扭矩控制机构1则包括一入力螺套10、一传动螺杆11、一施压元件12、以及一感应元件13；其中：

该入力螺套10是通过上述旋转敲击机构2的前端驱动轴20作动力传输；在本发明所举的实施例中，该扭矩控制机构1可利用外挂的方式加装于一般传统冲击式动力工具上（传统冲击式动力工具因未内建控制器，故需再搭配一外接的控制器方能使用），故该入力螺套10是套设于前端驱动轴20上而连结，以供前端驱动轴20将旋转敲击机构2产生的旋转动力传输至该入力螺套10上。当然，该入力螺套10亦可直接由旋转敲击机构2带动，亦即该扭矩控制机构1亦可直接内建于冲击式动力工具内。

该传动螺杆11是与该入力螺套10相螺合，以供上述旋转敲击机构2带动该入力螺套10于该传动螺杆11上做旋紧动作。而在本发明所举的实施例中，该入力螺套10内是设有内螺纹100，并于该传动螺杆11前端外设有外螺纹110，进而使入力螺套10可螺合于传动螺杆11前端处，并使二者作螺旋的往复动作。

该施压元件12亦与该入力螺套10相螺合，以供上述旋转敲击机构2带动该入力螺套10作动时，该入力螺套10能使该施压元件12沿着轴向方向作移动。而在本发明所举的实施例中，该施压元件12套设于该入力螺套10外，且该入力螺套10外设有外螺纹101，并于该施压元件12内则设有内螺纹120（如图3），进而使施压元件12可螺合于入力螺套10上，并可进一步于入力螺套10与传动螺杆11螺合旋紧时，朝感应元件13方向沿着轴套112的端部113予以挤压或拉伸，更于入力螺套10与传动螺杆11螺合反转松脱时，使旋压元件12沿着轴套112的端部113朝感应元件13的反方向脱开，使感测信号归零，而完成重置（Reset）的动作，为下一个锁固动作做准备。

更广义地，上述入力螺套10是分别以正、反牙螺纹而螺设于传动螺杆11与施压元件12之间，在本发明所举的实施例中，如马达3正转定义为作锁紧动作时，入力螺套10以正牙螺纹与传动螺杆11螺合、以反牙螺纹与施压元件12螺合；反之亦可。当旋转敲击机构2带动入力螺套10作动时，该入力螺套10一方面可于传动螺杆11上做旋紧动作、另一方面可将施压元件12朝向感应元件13推动，而该感应元件13即设置于相对该施压元件12的轴向位置处；请一并参阅图2至图4所示，在本发明所举的实施例中，传动螺杆11是穿过一轴套112而使该轴套112套于传动螺杆11上，并使传动螺杆11的外螺纹110由该轴套112一端穿出，且该轴套112一端设有一端部113，感应元件13即套设于该端部113上，并以一扣件130将感应元件13予以定位，于施压元件12朝其推进时能藉此承受施力，所述感应元件13在此实施例中是为一荷重元（Load Cell）或应变规，当感应元件13为应变规且设置于传动螺杆11的轴向位置时，即构成一具形变感知功能的感应螺栓（Sensing Bolt），可取代荷重元，以作为检测对应于末端驱动轴14端的输出扭矩的感测信号。

如图3及图4所示，所述端部113还部分延伸出感应元件13外，且该端部113的断面为一多边形（本发明以近似四边形为例），而施压元件12设有一相配合的套孔121，以活动套设于端部113外，而施压元件12的内螺纹120与入力螺套10的外螺纹101相螺合时，由于施压元件12的套孔121与所述端部113为多边形配合，故施压元件12仅能在端部113上沿其轴向位移，而无法产生相对旋转运动，所以入力螺套10也会带动施压元件12朝向感应元件13作前进或后退的轴向位移。而施压元件12、感应元件13与轴套112三者间，亦可利用导销方式活动连结，使施压元件12与感应元件13只能沿轴套112的端部113作轴向位移，而无法产生相对旋转运动。另外，当入力螺套10旋紧于传动螺杆11后，传动螺杆11会带动位于该扭矩控制机构1末端的末端驱动轴14，利用该末端驱动轴14即可将一被锁固件4（如螺栓或螺帽）进行旋紧或松脱等动作，而本发明是以螺栓114将上述轴套112螺固于末端驱动轴14上，以令传动螺杆11可与该末端驱动轴14连动。

承上所述，该扭矩控制机构1即用以连动于旋转敲击机构2与被锁固件4之间，故旋转敲击机构2能藉马达3的动力而驱动该扭矩控制机构1，进而转动该被锁固件4。而由于旋转敲击机构2在运转的过程中，会迫使入力螺套10将施压元件12朝向感应元件13推进，以供扭矩控制机构1能蓄积旋转敲击机构2所产生的旋转应力；且当蓄积于扭矩控制机构1的旋转应力大于转动被锁固件4的扭矩时，就足以克服被锁固件4的静态摩擦力，进而将被锁固件4锁得更紧。此时入力螺套10与前端驱动轴20之间的扭矩等于（或极度接近）被锁固件4端的扭矩，故通过感应元件13不断承受施压元件12的挤压或拉伸，即可由该感应元件13测量出直接夹紧力（Direct Clamping Force）或拉伸张力，从而得知扭矩控制机构1所蓄积的旋转应力的电压值（即为一感测信号）与作用于被锁固件4的扭矩值的线性关系，（如图5所示），如此即能控制旋转敲击机构2对被锁固件4于转动时所产生的扭矩，以达到本发明可对冲击式动力工具或机构做及时、有效、精确地扭矩控制的目的。

所以，利用上述的构造组成及其原理，即可得到本发明间接耦合的扭矩控制方法及其机构。

值得一提的是：如图3所示，在本发明第一实施例中，该感应元件13系通过无线（如RF）方式将所测得的感测信号传输至一控制单元（图略）进行计算。或如图6所示，在本发明第二实施例中，该感应元件13是通过有线方式来连接前述控制单元，而有线的走线实施方式，是可于传动螺杆11中心处贯通并连接一导管111，该导管111进一步通过入力螺套10、旋转敲击机构2及马达3等构件，以供走线通过而连接至所述控制单元处。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种间接耦合的扭矩控制方法，其特征在于，步骤包括： 

a)提供一旋转敲击机构，该旋转敲击机构能带动一被锁固件作转动； 

b)利用一螺旋机构连动于该旋转敲击机构与所述被锁固件之间，该螺旋机构能蓄积该旋转敲击机构为带动所述被锁固件转动而产生的旋转应力； 

c)当蓄积于该螺旋机构的旋转应力大于转动所述被锁固件的扭矩时，由该螺旋机构蓄积的旋转应力测量出的感测信号与施加于所述被锁固件的扭矩值为一线性关系； 

利用上述线性关系以控制该旋转敲击机构对所述被锁固件于转动时所产生的扭矩。 

2.根据权利要求1所述的间接耦合的扭矩控制方法，其特征在于，步骤c)是通过一感应元件承受该螺旋机构蓄积的旋转应力，以测量对该感应元件的直接夹紧力或拉伸张力所产生的感测信号来计算所述线性关系。 

3.根据权利要求2所述的间接耦合的扭矩控制方法，其特征在于，该感应元件为一荷重元或应变规。 

4.根据权利要求1或2所述的间接耦合的扭矩控制方法，其特征在于，所述感测信号为电压值。 

5.一种间接耦合的扭矩控制机构，用于与一旋转敲击机构连动以转动一被锁固件，其特征在于，包括： 

一入力螺套，由所述旋转敲击机构驱动； 

一传动螺杆，由该入力螺套旋紧而驱动一末端驱动轴，以对所述被锁固件进行转动； 

一施压元件，由该入力螺套带动而于该入力螺套上作轴向位移；以及 

一感应元件，位于该传动螺杆上且相对该施压元件的轴向位置处，以供该施压元件对其进行挤压或拉伸； 

其中，该入力螺套分别以正、反牙螺纹螺设于该传动螺杆与该施压元件之间；以通过所述旋转敲击机构驱动该入力螺套，以带动该施压元件位移而对该感应元件予以挤压或拉伸，从而测量该感应元件的感测信号以得知输出扭矩值并作为扭矩控制所需。 

6.根据权利要求5所述的间接耦合的扭矩控制机构，其特征在于，该入力螺套是以正螺纹与该传动螺杆相螺合，且该入力螺套以反螺纹与该施压元件相螺合。 

7.根据权利要求5所述的间接耦合的扭矩控制机构，其特征在于，该感应元件是与一控制单元作无线或有线的信号传输。 

8.根据权利要求5所述的间接耦合的扭矩控制机构，其特征在于，该传动螺杆还包含一套固于其上的轴套，且该轴套一端设有一端部，所述端部的断面为一多边形，而该施压元件则设有一与该端部相配合的套孔，以活动套设于所述端部外。 

9.根据权利要求5所述的间接耦合的扭矩控制机构，其特征在于，该传动螺杆还包含一套固于其上的轴套，且该施压元件、该感应元件、以及该轴套三者间是以导销活动连结。 

10.根据权利要求5至9的任意一项所述的间接耦合的扭矩控制机构，其特征在于，该感应元件为一荷重元。 

11.根据权利要求5至7的任意一项所述的间接耦合的扭矩控制机构，其特征在于，该感应元件为一应变规，以与该传动螺杆构成一感应螺栓。 

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