CN103934673A - 基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，包括相连的控制箱和螺丝刀，其特征在于：所述控制箱包括箱体，箱体上设有触摸屏，箱体内设有控制器和开关电源，控制器包括信号处理模块、采集主控模块、电机驱动模块和显示输入模块，所述螺丝刀包括外壳，外壳内设有相连的电动机、减速箱和输出主轴，电动机内具有至少一个角度传感器，输出主轴外安装有静态扭矩传感器，输出主轴一端伸出外壳外并与批咀相连，同时也介绍了该数控电动螺丝刀的控制方法。基于上述结构和控制方法，本发明具有良好的数据管理和故障检测等多种功能，且具有低成本、高寿命、精度高和安全可靠的优点，能普遍推广到各种精密零部件的装配当中。
Description
技术领域
本发明属于涉及一种螺丝拧紧工具，尤其是一种基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀及其控制方法。
背景技术
随着中国汽车、航天、机械等行业的快速发展，对于各种精密机械零部件的装配要求越来越高，螺丝刀是用于拧螺丝的重要工具，在各种装配过程中得以广泛使用，因此提升拧紧工具的自动化程度成为了当务之急。同时，在对螺丝刀实现自动化控制的同时，对螺丝刀的力矩控制精度及智能要求也在相应提升。目前市面上的螺丝刀主要包括：一是机械式离合器结构，结构复杂，精度较低，维护成本高；二是应用较为广泛的电流式结构，精度高，结构简单，无耗材，环保；三是带扭矩传感器的结构，精度很高但价格昂贵。以第三种为例，授权公告号为CN101664872B的发明提供了一种扭紧装置，包括动力装置、静态扭矩传感器和扭矩扳手，动力装置与静态扭距传感器相连，静态扭距传感器与扭紧扳手相连，同时也介绍了该扭紧装置的控制方法。该扭紧装置能显著节约成本，扭矩精度良好，但该产品缺乏良好的数据管理和故障检测功能，自动化程度和工作效率不高，且无法支持多任务模式，难以适应不同装配领域的多样化需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀及其控制方法，具有良好的数据管理和故障检测等多种功能，且成本低，寿命长，检测精度高，可靠性好，内置多种任务模式适用于不同领域的装配需求。
具有自动控制、数据管理和监控防错等功能，精度高，使用方便，安全可靠，能适应不同加工需要且提高工作效率。
本发明的技术方案为：一种基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，包括控制箱和螺丝刀，其特征在于：所述控制箱包括箱体，所述箱体与螺丝刀通过可插拔的数据线相连，箱体上设有触摸屏、数据线接口和电源输入接口，箱体内设有控制器和开关电源，开关电源分别连接有控制器和电源输入接口，控制器包括信号处理模块、采集主控模块、电机驱动模块和显示输入模块，信号处理模块通过数据线与静态扭矩传感器连接，所述采集主控模块分别与信号处理模块、电机驱动模块和显示输入模块电路连接，电机驱动模块连接数据线接口，显示输入模块连接触摸屏，所述螺丝刀包括外壳，外壳内设有相连的电动机、减速箱和输出主轴，电动机内具有至少一个检测转子位置的角度传感器，输出主轴外安装有静态扭矩传感器，输出主轴一端伸出外壳外并与批咀相连。
所述的控制器还包括与采集主控模块相连的通讯模块，通讯模块用于提供螺丝刀工况的实时输出。
所述静态扭矩传感器包括工字型的传感器主体，传感器主体上设有与输出主轴相对应的通孔，传感器主体中部呈圆柱形，传感器主体外表面均匀贴装有若干个水平应变片和垂直应变片，传感器主体内侧还贴装有与水平应变片和垂直应变片相连接的输出端焊盘。
所述静态扭矩传感器还包括贴装在传感器主体外表面的若干个和水平应变片和垂直应变片相连接的调零应变片，调零应变片与输出端焊盘相连接。
优选地，所述水平应变片、垂直应变片、调零应变片均为两个，水平应变片、垂直应变片为交替设置，各个应变片和输出端焊盘之间的连接联系为：输出端焊盘通过采集信号与信号处理模块相连，输出端焊盘上设有Vcc端、GND端、第一输出端+SIG和第二输出端-SIG，第一水平应变片上设有第一水平电阻R1-1和第二水平电阻R1-2，第二水平应变片上设有第三水平电阻R4-1和第四水平电阻R4-2，第一垂直应变片上设有第一垂直电阻R2-1和第二垂直电阻R2-2，第二垂直应变片上设有第三垂直电阻R3-1和第四垂直电阻R3-2，第一调零应变片上设有第一调零电阻RADJ1，第二调零应变片上设有第二调零电阻RADJ2，且第一水平电阻R1-1、第一垂直电阻R2-1、第一调零电阻RADJ1、第二垂直电阻R2-2、第四水平电阻R4-2、第三水平电阻R4-1、第三垂直电阻R3-1、第二调零电阻RADJ2、第四垂直电阻R3-2和第二水平电阻R1-2依次连接，同时第二水平电阻R1-2和第一水平电阻R1-1连接形成串联回路，第二水平电阻R1-2和第一水平电阻R1-1之间的线路与电源供应端Vcc连接，第一调零电阻RADJ1与第一输出端+SIG连接，第四水平电阻R4-2和第三水平电阻R4-1之间的线路与接地端GND连接，第二调零电阻RADJ2与第二输出端-SIG连接。
优选地，所述电动机为无碳刷电机，所述开关电源内设有滤波模块，所述控制器内设有外接报警装置的故障处理模块。
所述箱体上设有与控制器主板电路连接的IO信号接口、通信接口和USB接口。
一种基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀的控制方法，其特征在于：通过显示输入模块设定下螺丝数目的目标值、扭矩的目标值、上限值和下限值，启动后采集主控模块分别对转角和扭矩进行实时检测，先是将角度传感器和静态扭力传感器感应到输出主轴的电信号输送到信号处理模块进行滤波、放大和整形处理，然后采集主控模块将实时接收的电信号转换成相应的控制数据，并将该实时控制数据与预先通过显示输入模块设定的转角和扭矩目标数据进行比对，当检测到目标扭矩或目标转角则发出拧紧信号，控制电动机停止并反向转动使得输出主轴进行复位，复位后螺丝刀进入待机状态以开始下一循环动作，待机状态时螺丝刀将保持特定程度的电流馈送或停止电流馈送，当锁紧的螺丝数目达到预定值时，螺丝刀进入停止状态且重新工作时需再次启动。
所述静态扭矩传感器的信号读取方法为：输出主轴停止或空转状态下其作用于工字型传感器主体上的形变为零或接近于零，则实时扭矩值为零或接近于零，输出主轴运转状态下其作用于工字型传感器主体的形变被各个应变片所感应，则实时扭矩值为由各个应变片所获得的电信号经信号处理和数据转换后的数据平均值。
进一步地，所述静态扭矩传感器的传感器主体外表面设置调零应变片，能对水平应变片或垂直应变片的形变起到均衡的作用，工作时各个应变片由输出端焊盘的Vcc端进行供电，传感器主体获取来自外壳、电动机以及输出主轴上的静态力矩形变，各个应变片依据自身的精度特性检测出传感器主体的形变大小，并通过输出端焊盘上相应的的 GND端、第一输出端+SIG和第二输出端-SIG而输出一个模拟电压电流值；然后该模拟电压电流值经信号处理模块再输送到采集主控模块并计算和筛选该扭矩值以控制电机驱动模块和显示输入模块的运行，从而获得提升电信号输出精度和稳定性的效果。
所述采集主控模块内设有外接报警装置的故障处理模块，故障处理模块用于检测滑牙或浮锁两种故障状态，滑牙状态是指到达目标转角时，采集主控模块仍未检测到目标扭矩从而无拧紧信号（如由螺丝牙距不良导致），浮锁状态是指到达目标扭矩并产生拧紧信号时，采集主控模块仍未检测到目标转角（如由工件螺丝孔紧导致阻力加大），采集主控模块检测出故障后通过电机驱动模块实现启动螺丝刀锁定功能，并可输出相应的预警信号。
上述故障发生的原因为：在机器故障、螺丝孔不良、螺丝不良及工件特定材质等情况下容易产生故障，如对木质工件、塑料工件、金属薄板进行加工，或者螺纹孔松时，易导致螺丝滑动或空转而形成滑牙状态，当螺纹孔紧或螺丝不良时，则易导致未锁到底或拧紧后外观不良而形成浮锁状态。
本发明的有益效果为：
1、采用的静态扭矩传感器成本低，寿命长，检测精度高，可靠性好，使用方便，还具备拧紧循环完成、螺丝刀故障、外部启动等信号输入输出功能以及锁定时的密码解锁等功能，功能多样，充分适应不同加工需要。
2、具备可编程功能，能根据不同的加工需要设定相应的程序，采集主控模块具有数据存储功能，并可随时记录和查询时间、转角、扭矩和速度等各项参数，通过分析拧紧过程的数据，用户能进一步优化各项工艺参数并提升加工效果。
3、具有监控防错功能，能准确的检测并记录滑牙或浮锁两种故障状态，并具有螺丝刀锁定功能，更为安全可靠，还可外接信号灯，并实现声音、色彩、文字等多种预警模式。
4、能广泛应用于汽车零部件、航天组件或精密机械的装配领域，通过触摸屏预先设定扭矩、时间、速度、转角、旋转方向等参数，支持多种具有不同装配需求的任务模式，拧紧过程中速度可控，自动化程度和控制精度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的控制箱后视图。
图3为本发明的静态扭矩传感器的侧视图。
图4为本发明的静态扭矩传感器的应变片连接示意图。
图中，1-数据线，2-外壳，3-电动机，4-减速箱，5-静态扭矩传感器，6-输出主轴，7-控制器，8-触摸屏，9-数据线接口，10-电源输入接口，11-IO信号接口，12-通信接口，13-USB接口，51-传感器主体，52-垂直应变片，53-水平应变片，54-调零应变片，55-输出端焊盘，56-安装孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明提供的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，包括控制箱和螺丝刀，其中控制箱包括箱体，箱体与螺丝刀通过可插拔的数据线1相连，箱体上设有触摸屏8、数据线接口9和电源输入接口10，箱体内设有控制器7和开关电源，开关电源分别连接有控制器7和电源输入接口10，控制器7包括信号处理模块、采集主控模块、电机驱动模块和显示输入模块，信号处理模块通过数据线1与静态扭矩传感器5连接，采集主控模块分别与信号处理模块、电机驱动模块和显示输入模块电路连接，电机驱动模块连接数据线接口9，显示输入模块连接触摸屏8，螺丝刀包括外壳2，外壳2内设有相连的电动机3、减速箱4和输出主轴6，电动机3内具有至少一个检测转子位置的角度传感器，输出主轴6外安装有静态扭矩传感器5，输出主轴6一端伸出外壳2外并与批咀相连；的控制器7还包括与采集主控模块相连的通讯模块，通讯模块用于提供螺丝刀工况的实时输出；箱体上还设有与控制器7主板电路连接的IO信号接口11、通信接口12和USB接口13。
如图3所示，静态扭矩传感器5包括工字型的传感器主体51，传感器主体51上设有与输出主轴6相对应的通孔以及若干个安装孔56，传感器主体51中部呈圆柱形，传感器主体51外表面均匀贴装有若干个水平应变片53和垂直应变片52，传感器主体51内侧还贴装有与水平应变片53和垂直应变片52相连接的输出端焊盘55。静态扭矩传感器5还包括贴装在传感器主体51外表面的若干个和水平应变片53和垂直应变片52相连接的调零应变片54，调零应变片54与输出端焊盘55相连接。
各个应变片按照一定的物理尺寸整齐有序的分别固定在传感器主体51上，并通过导线有序连接，如图4所示，各个应变片和输出端焊盘55之间的连接联系为：输出端焊盘55通过采集信号与信号处理模块相连，输出端焊盘55上设有Vcc端、GND端、第一输出端+SIG和第二输出端-SIG，第一水平应变片53上设有第一水平电阻R1-1和第二水平电阻R1-2，第二水平应变片53上设有第三水平电阻R4-1和第四水平电阻R4-2，第一垂直应变片52上设有第一垂直电阻R2-1和第二垂直电阻R2-2，第二垂直应变片52上设有第三垂直电阻R3-1和第四垂直电阻R3-2，第一调零应变片54上设有第一调零电阻RADJ1，第二调零应变片54上设有第二调零电阻RADJ2，且第一水平电阻R1-1、第一垂直电阻R2-1、第一调零电阻RADJ1、第二垂直电阻R2-2、第四水平电阻R4-2、第三水平电阻R4-1、第三垂直电阻R3-1、第二调零电阻RADJ2、第四垂直电阻R3-2和第二水平电阻R1-2依次连接，同时第二水平电阻R1-2和第一水平电阻R1-1连接形成串联回路，第二水平电阻R1-2和第一水平电阻R1-1之间的线路与电源供应端Vcc连接，RADJ1与第一输出端+SIG连接，第四水平电阻R4-2和第三水平电阻R4-1之间的线路与接地端GND连接，RADJ2与第二输出端-SIG连接；工作时静态扭矩传感器5的各个应变片由输出端焊盘55的Vcc端进行供电，传感器主体51获取来自外壳2、电动机3以及输出主轴6上的静态力矩形变，各个应变片依据自身的精度特性检测出传感器主体51的形变大小，并通过输出端焊盘55上相应的的 GND端、第一输出端+SIG和第二输出端-SIG而输出一个模拟电压电流值；然后该模拟电压电流值经信号处理模块再输送到采集主控模块并计算和筛选该扭矩值以控制电机驱动模块和显示输入模块的运行。
具体实施时，如图1和图2所示，本发明的控制方法为：通过显示输入模块设定下螺丝数目的目标值、扭矩的目标值、上限值和下限值，启动后采集主控模块分别对转角和扭矩进行实时检测，先是将角度传感器和静态扭力传感器感应到输出主轴6的电信号输送到信号处理模块进行滤波、放大和整形处理，然后采集主控模块将实时接收的电信号转换成相应的控制数据，并将该实时控制数据与预先通过显示输入模块设定的转角和扭矩目标数据进行比对，当检测到目标扭矩或目标转角则发出拧紧信号，控制电动机3停止并反向转动使得输出主轴6进行复位，复位后螺丝刀进入待机状态以开始下一循环动作，待机状态时螺丝刀将保持特定程度的电流馈送或停止电流馈送，当锁紧的螺丝数目达到预定值时，螺丝刀进入停止状态且重新工作时需再次启动。进一步地，本发明中的采集主控模块内还设有外接报警装置的故障处理模块，故障处理模块用于检测滑牙或浮锁两种故障状态，滑牙状态是指到达目标转角时，采集主控模块仍未检测到目标扭矩从而无拧紧信号（如由螺丝牙距不良导致），浮锁状态是指到达目标扭矩并产生拧紧信号时，采集主控模块仍未检测到目标转角（如由工件螺丝孔紧导致阻力加大），采集主控模块检测出故障后通过电机驱动模块实现启动螺丝刀锁定功能，并可输出相应的预警信号。
又如图3和图4所示，本发明中静态扭矩传感器5的信号读取方法为：输出主轴6停止或空转状态下其作用于工字型传感器主体51上的形变为零或接近于零，则实时扭矩值为零或接近于零，输出主轴6运转状态下其作用于工字型传感器主体51的形变被各个应变片所感应，则实时扭矩值为由各个应变片所获得的电信号经信号处理和数据转换后的数据平均值。进一步地，通过在传感器主体51外表面设置调零应变片54，能对水平应变片53或垂直应变片52的形变起到均衡的作用，从而获得提升电信号输出精度和稳定性的效果，其工作原理为：（需从连接关系上做进一步的说明）。
基于上述结构和控制方法，本发明具有良好的数据管理和故障检测等多种功能，且具有低成本、高寿命、精度高和安全可靠的优点，能普遍推广到各种精密零部件的装配当中。
Claims (10)
1.一种基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，包括控制箱和螺丝刀，其特征在于：所述控制箱包括箱体，所述箱体与螺丝刀通过可插拔的数据线相连，箱体上设有触摸屏、数据线接口和电源输入接口，箱体内设有控制器和开关电源，开关电源分别连接有控制器和电源输入接口，控制器包括信号处理模块、采集主控模块、电机驱动模块和显示输入模块，信号处理模块通过数据线与静态扭矩传感器连接，所述采集主控模块分别与信号处理模块、电机驱动模块和显示输入模块电路连接，电机驱动模块连接数据线接口，显示输入模块连接触摸屏，所述螺丝刀包括外壳，外壳内设有相连的电动机、减速箱和输出主轴，电动机内具有至少一个检测转子位置的角度传感器，输出主轴外安装有静态扭矩传感器，输出主轴一端伸出外壳外并与批咀相连。
2.根据权利要求1所述的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，其特征在于：所述的控制器还包括与采集主控模块相连的通讯模块，通讯模块用于提供螺丝刀工况的实时输出。
3.根据权利要求1所述的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，其特征在于：所述静态扭矩传感器包括工字型的传感器主体，传感器主体上设有与输出主轴相对应的通孔，传感器主体中部呈圆柱形，传感器主体外表面均匀贴装有若干个水平应变片和垂直应变片，传感器主体内侧还贴装有与水平应变片和垂直应变片相连接的输出端焊盘。
4.根据权利要求3所述的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，其特征在于：所述静态扭矩传感器还包括贴装在传感器主体外表面的若干个和水平应变片和垂直应变片相连接的调零应变片，调零应变片与输出端焊盘相连接。
5.根据权利要求4所述的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，其特征在于：所述水平应变片、垂直应变片、调零应变片均为两个，水平应变片、垂直应变片为交替设置，输出端焊盘通过采集信号与信号处理模块相连，输出端焊盘上设有Vcc端、GND端、第一输出端和第二输出端，第一水平应变片上设有第一水平电阻和第二水平电阻，第二水平应变片上设有第三水平电阻和第四水平电阻，第一垂直应变片上设有第一垂直电阻和第二垂直电阻，第二垂直应变片上设有第三垂直电阻和第四垂直电阻，第一调零应变片上设有第一调零电阻，第二调零应变片上设有第二调零电阻，且第一水平电阻、第一垂直电阻、第一调零电阻、第二垂直电阻、第四水平电阻、第三水平电阻、第三垂直电阻、第二调零电阻、第四垂直电阻和第二水平电阻依次连接，同时第二水平电阻和第一水平电阻连接形成串联回路，第二水平电阻和第一水平电阻之间的线路与电源供应端Vcc连接，第一调零电阻与第一输出端连接，第四水平电阻和第三水平电阻之间的线路与接地端GND连接，第二调零电阻与第二输出端连接。
6.根据权利要求1所述的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀，其特征在于：所述电动机为无碳刷电机，所述开关电源内设有滤波模块，所述控制器内设有外接报警装置的故障处理模块。
7.一种基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀的控制方法，其特征在于：通过显示输入模块设定下螺丝数目的目标值、扭矩的目标值、上限值和下限值，启动后采集主控模块分别对转角和扭矩进行实时检测，先是将角度传感器和静态扭力传感器感应到输出主轴的电信号输送到信号处理模块进行滤波、放大和整形处理，然后采集主控模块将实时接收的电信号转换成相应的控制数据，并将该实时控制数据与预先通过显示输入模块设定的转角和扭矩目标数据进行比对，当检测到目标扭矩或目标转角则发出拧紧信号，控制电动机停止并反向转动使得输出主轴进行复位，复位后螺丝刀进入待机状态以开始下一循环动作，待机状态时螺丝刀将保持特定程度的电流馈送或停止电流馈送，当锁紧的螺丝数目达到预定值时，螺丝刀进入停止状态且重新工作时需再次启动。
8. 根据权利要求7所述的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀的控制方法，其特征在于：所述静态扭矩传感器的信号读取方法为：输出主轴停止或空转状态下其作用于工字型传感器主体上的形变为零或接近于零，则实时扭矩值为零或接近于零，输出主轴运转状态下其作用于工字型传感器主体的形变被各个应变片所感应，则实时扭矩值为由各个应变片所获得的电信号经信号处理和数据转换后的数据平均值。
9.根据权利要求8所述的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀的控制方法，其特征在于：所述静态扭矩传感器的传感器主体外表面设置调零应变片，工作时各个应变片由输出端焊盘的Vcc端进行供电，传感器主体获取来自外壳、电动机以及输出主轴上的静态力矩形变，各个应变片依据自身的精度特性检测出传感器主体的形变大小，并通过输出端焊盘上相应的的 GND端、第一输出端和第二输出端而输出一个模拟电压电流值；然后该模拟电压电流值经信号处理模块再输送到采集主控模块并计算和筛选该扭矩值以控制电机驱动模块和显示输入模块的运行。
10.根据权利要求9所述的基于静态扭矩传感器的数控电动螺丝刀的控制方法，其特征在于：所述采集主控模块内设有外接报警装置的故障处理模块，故障处理模块用于检测滑牙或浮锁两种故障状态，滑牙状态是指到达目标转角时，采集主控模块仍未检测到目标扭矩从而无拧紧信号，浮锁状态是指到达目标扭矩并产生拧紧信号时，采集主控模块仍未检测到目标转角，采集主控模块检测出故障后通过电机驱动模块实现启动螺丝刀锁定功能，并可输出相应的预警信号。
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