CN103934789B - 一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电动扭矩扳手、扭矩控制系统及其控制方法，属于电动扭矩扳手技术领域。本发明中扭矩控制方法的其步骤为：1）在键盘输入模块选择一种工作模式，即确定一个所需的扭矩值；2）微处理器模块根据扭矩-功率关系调出相应的功率值；3）按下机械开关的常开触点闭合传递给微处理器模块，微处理器模块驱动功率控制模块，电机按此功率带动扳手输出轴旋转；4）电压传感器采集电源的电压信号给微处理器模块进行功率补偿；5）电流传感器采集电机的工作电流变化，当达到微处理器模块存储的该功率对应的电流值时，关闭功率控制模块，电机停止。本发明抗干扰能力强，提高了扳手输出扭矩控制精度。

Description

一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制方法

技术领域

本发明涉及的是电动扭矩扳手技术领域，更具体地说，涉及一种智能电动扭矩扳手、扭矩控制系统及其控制方法。

背景技术

电动扭矩扳手通常用于对螺栓或螺母拆装扭矩大且有较高拧紧扭矩精度的场合。现有技术中电动扭矩扳手可分为电流转速式和动态扭矩传感器式两种。电流转速式电动扭矩扳手根据螺栓拧紧过程中电机工作的电流值和转速变化来判断扭矩值，当达到预定值时电机停止工作。动态扭矩传感器式电动扭矩扳手是在扳手输出轴上安装有扭矩传感器，检测扭矩值的变化，当达到预定的扭矩时，电机停止工作。

电流转速式电动扭矩扳手由于受电流、转速波动大，抗干扰能力差，即扳手在紧固螺母瞬间电流急剧上升，在这极短的时间内控制扳手电机的停机，易导致电机过冲，没有在应该停机的时刻停机，造成扭矩控制精度低，其主要原因分析如下：现有电流转速式电动扭矩扳手是设定一个电流最大值为停机值，也就是终点值，这个终点值是在扳手工作中由传感器捕获的一个瞬时电流，这个电流值一旦达到预设值，扳手就自动停机，由于螺母拧紧的过程受到螺栓螺母摩擦系数变化的影响，使用环境的影响，电流值的变化是非线性的且具有不可预见行，有时电流值会突然变大，而螺母还没有拧紧，此时扳手却已经停机了。动态扭矩传感器式电动扭矩扳手由于安装了扭矩传感器，扳手外形尺寸大限制了使用范围同时也不经济。

中国专利申请号：201310005649.8，申请日：2013-01-08，发明创造名称为：用于数控定扭矩电动扳手的扭矩控制方法及其电动扳手，该申请案包含步骤：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。该申请案中的控制器根据该预设扭矩值，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，这种扭矩控制方法不可靠。

另外，在螺母拧紧的过程中，由于受到螺纹连接副摩擦力的变化影响，使用环境等诸多因素的影响，拧紧的扭矩值会有差异，这就需要及时对扳手进行扭矩标定，目前电动扭矩扳手的标定通常在制造装配厂专业人员进行操作，这样在扳手实际使用中不能及时进行扭矩标定，无法掌握扳手拧紧的确切扭矩值。综上所述，现有电动扭矩扳手扭矩控制波动大，不具备扭矩标定功能。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中电动扭矩扳手扭矩控制波动大的不足，提供了一种智能电动扭矩扳手、扭矩控制系统及其控制方法，采用本发明的技术方案，使得电动扭矩扳手能够达到可调扭矩输入、多种工作模式、无极功率控制。

2.技术方案

为实现上述目的，本发明的技术方案在于：

本发明的一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制系统，扭矩控制系统包括电源、电压传感器模块、功率控制模块、机械开关、电机、电流传感器模块、微处理器模块、显示模块和键盘输入模块，其中：所述的微处理器模块分别与电压传感器模块、功率控制模块、机械开关、电流传感器模块、显示模块、键盘输入模块相连接，所述的键盘输入模块用于确定所需的扭矩值，所需的扭矩值显示在显示模块上，所述的电压传感器模块连接在电源与微处理器模块之间，该电压传感器模块用于采集电源的电压信号，所述的微处理器模块中存储有扭矩-功率关系数据，机械开关的常开触点闭合信号传递给微处理器模块，微处理器模块根据所需的扭矩值查询扭矩-功率关系数据得到电机的功率值，并驱动功率控制模块，电机按照功率控制模块控制的功率值旋转；所述的功率控制模块、机械开关、电机、电流传感器模块依次相连接，电流传感器模块用于采集电机的工作电流信号，并将采集的电机工作电流信号传送给微处理器模块。

更进一步地说，所述的功率控制模块包括光耦合器件、双向晶闸管，光耦合器件直接与微处理器模块相连接，功率控制模块串联在电机电源回路上。

更进一步地说，所述的电压传感器模块将采集到的电源电压信号传输给微处理器模块，微处理器模块根据此电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对电机的输出扭矩进行功率补偿。

本发明的一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制方法，其步骤为：

1)在键盘输入模块选择一种工作模式，即确定一个所需的扭矩值；

2)微处理器模块根据扭矩-功率关系调出相应的功率值；

3)按下机械开关的常开触点闭合传递给微处理器模块，微处理器模块驱动功率控制模块，电机按此功率带动扳手输出轴旋转；

4)电压传感器采集电源的电压信号给微处理器模块进行功率补偿；

5)电流传感器采集电机的工作电流变化，当达到微处理器模块存储的该功率对应的电流值时，关闭功率控制模块，电机停止。

更进一步地说，步骤3)中机械开关串联在电机电源回路上，且机械开关的常开触点连接在微处理器模块上，当按下机械开关时电机电源导通，此时微处理器模块按功率由小到大逐次递增方法升到所需的功率。

更进一步地说，步骤4)中的电压传感器模块将采集到的电源电压信号传输给微处理器模块，微处理器模块根据此电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对电机的输出扭矩进行功率补偿。

本发明的一种智能电动扭矩扳手包括机械开关、变速机构、减速机构、扳手输出轴和反力臂，还包括扭矩控制系统，该扭矩控制系统包括电源、电压传感器模块、功率控制模块、机械开关、电机、电流传感器模块、微处理器模块、显示模块和键盘输入模块，其中：所述的微处理器模块分别与电压传感器模块、功率控制模块、机械开关、电流传感器模块、显示模块、键盘输入模块相连接，所述的键盘输入模块用于确定所需的扭矩值，所需的扭矩值显示在显示模块上，所述的电压传感器模块连接在电源与微处理器模块之间，该电压传感器模块用于采集电源的电压信号，所述的微处理器模块中存储有扭矩-功率关系数据，机械开关的常开触点闭合信号传递给微处理器模块，微处理器模块根据所需的扭矩值查询扭矩-功率关系数据得到电机的功率值，并驱动功率控制模块，电机按照功率控制模块控制的功率值旋转；所述的功率控制模块、机械开关、电机、电流传感器模块依次相连接，电流传感器模块用于采集电机的工作电流信号，并将采集的电机工作电流信号传送给微处理器模块。

更进一步地说，所述的功率控制模块包括光耦合器件、双向晶闸管，光耦合器件直接与微处理器模块相连接，功率控制模块串联在电机电源回路上。

更进一步地说，所述的电压传感器模块将采集到的电源电压信号传输给微处理器模块，微处理器模块根据此电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对电机的输出扭矩进行功率补偿。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

本发明由于采用扭矩-功率对应关系作为输出扭矩控制的方法，即扭矩与功率一一对应关系，当机械开关按下后，扳手电机便按此功率进行扭矩输出，属于过程控制，而不是扳手紧固瞬间控制，比电流转速控制方法稳定性好，抗干扰能力强，同时此扳手增加了电压补偿模块，提高了扳手输出扭矩控制精度。

附图说明

图1为本发明的一种智能电动扭矩扳手的结构示意图；

图2为本发明的一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制系统示意图；

图3为本发明电动扭矩扳手中360度旋转模块结构示意图；

图4为本发明的一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制方法的工作流程示意图。

图中：键盘输入模块1、机械开关2、电机3、显示模块4、360度旋转模块5、变速机构6、减速机构7、扳手输出轴8、反力臂9、减力轴承51、承挡圈52、轴承压板53、轴承座54、减速箱连接座55、电机输出轴56。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

图1为本实施例的一种智能电动扭矩扳手结构示意图，该电动扭矩扳手包括扭矩控制系统(如图2所示)，该扭矩控制系统包括电源、电压传感器模块、功率控制模块、机械开关、电机、电流传感器模块、微处理器模块、显示模块和键盘输入模块，其中：所述的微处理器模块分别与电压传感器模块、功率控制模块、机械开关、电流传感器模块、显示模块、键盘输入模块相连接，所述的键盘输入模块用于确定所需的扭矩值，所需的扭矩值显示在显示模块上，所述的电压传感器模块连接在电源与微处理器模块之间，该电压传感器模块用于采集电源的电压信号，所述的微处理器模块中存储有扭矩-功率关系数据，机械开关的常开触点闭合信号传递给微处理器模块，微处理器模块根据所需的扭矩值查询扭矩-功率关系数据得到电机的功率值，并驱动功率控制模块，电机按照功率控制模块控制的功率值旋转；所述的功率控制模块、机械开关、电机、电流传感器模块依次相连接，电流传感器模块用于采集电机的工作电流信号，并将采集的电机工作电流信号传送给微处理器模块。

本实施例中，功率控制模块包括光耦合器件、双向晶闸管，光耦合器件具有隔离抗干扰作用，光耦合器件直接与微处理器模块相连接，功率控制模块串联在电机电源回路上。电压传感器模块将采集到的电源电压信号传输给微处理器模块，微处理器模块根据此电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对电机的输出扭矩进行功率补偿。

微处理器模块存储了功率-扭矩对应关系数据、键盘输入的数据、标定的数据，且具有掉电数据保护功能，微处理器模块将键盘输入的扭矩值显示在显示模块上，并按照存储的功率-扭矩对应关系转换成功率值，触发功率控制模块按照所要提供的功率给电机。功率-扭矩对应关系数据是通过实验测试出来的数据，每一个功率对应一个扭矩值。

显示模块与微处理器模块相连，显示模块的显示区域分为上段工作模式提示信息，中段扭矩值主显示区域，和下段编辑状态提示信息。显示模块可以显示3种工作状态：直接扭矩值输入状态、根据螺栓的规格强度等级选择扭矩状态和调用现场标定扭矩工作状态，这几种工作状态均由键盘输入编辑、选择。

电流传感器模块将采集到的电机工作电流信号传输给微处理器模块，微处理器模块对采集电流信号与已存的该功率对应的电流值进行比较，如果大于存储的电流值，微处理器模块关断功率控制模块从而使电机停止工作，即电流传感器模块仅作为扳手停机控制功能。

机械开关串联在电机电源回路上，并有个常开触点连接在微处理器模块的上，当按下机械开关时电机电源导通，并且常开触点闭合将开关按下的信号传递给微处理器模块，此时微处理器模块按功率由小到大逐次递增方法升到所需的功率，实现电机的低速无冲击启动。

本实施例中的电动扭矩扳手机械结构如图1所示，电动扭矩扳手包括：键盘输入模块1、机械开关2、电机3、显示模块4、360度旋转模块5、变速机构6、减速机构7、扳手输出轴8和反力臂9。本实施例中电机3的外部设置有键盘输入模块1和显示模块4，机械开关2位于电动扭矩扳手的把手上，电机3、360度旋转模块5、变速机构6、减速机构7、扳手输出轴8从上至下依次连接，电机3经360度旋转模块5、变速机构6、减速机构7带动扳手输出轴8旋转，减速机构7的下部外周安装有反力臂9。本实施例中的360度旋转模块5结构如图3所示，该360度旋转模块5包括减力轴承51、承挡圈52、轴承压板53、轴承座54、减速箱连接座55、电机输出轴56，所述的电机输出轴56竖直伸入减速箱连接座55内部，该电机输出轴56通过电机轴承与减速箱连接座55的一端转动连接；所述的减速箱连接座55的外周侧壁与轴承座54的内壁之间通过减力轴承51连接，该减力轴承51的上部设置有承挡圈52，所述的承挡圈52用于限制减力轴承51向上运动，该减力轴承51的下部设置有轴承压板53，所述的轴承压板53用于限制减力轴承51向下运动，即：承挡圈52、轴承压板53分别作用于减力轴承51的两侧，防止减力轴承51上下移位。具体在本实施例中，减速箱连接座55的外周从上到下开设有三个环状台阶，承挡圈52固定于最上面的环状台阶，减力轴承51安装在中间的环状台阶，轴承压板53安装于最下面的环状台阶上。且承挡圈52通过螺钉固定在减速箱连接座55上，轴承压板53通过螺钉固定在轴承座54上，该轴承座54与电机3相连。

本实施例中，承挡圈52将减力轴承51、轴承压板53依次压紧在减速箱连接座55上的圆柱，然后再通过轴承压板53将此部分固定在轴承座54上，这样当电动扭矩扳手工作时变速机构6可沿电机输出轴56旋转直至找到合适的反作用力支撑点时停止旋转，同时电机输出轴56旋转经变速机构6、减速机构7至扳手输出轴8传递扭矩，在扳手扭矩达到停机时，此360度旋转模块5抵消了部分反作用力，仅承受了电机3部分的反作用力，而电机3属于高速小扭矩，此小扭矩即反作用力，该反作用力非常小，在操作人员可接受的反作用力范围，从而实现扳手停机时无冲击力，操作更安全。

如图4所示，本实施例的一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制方法，其步骤为：

1)在键盘输入模块选择一种工作模式，即确定一个所需的扭矩值；

2)微处理器模块根据扭矩-功率关系调出相应的功率值；

3)按下机械开关的常开触点闭合传递给微处理器模块，微处理器模块驱动功率控制模块，电机3按此功率经360度旋转模块5、变速机构6、减速机构7带动扳手输出轴8旋转，同时反力臂9、变速机构6、减速机构7沿电机3轴线作整体旋转直至找到合适的支撑点停止旋转；其中，机械开关串联在电机电源回路上，且机械开关的常开触点连接在微处理器模块上，当按下机械开关时电机电源导通，此时微处理器模块按功率由小到大逐次递增方法升到所需的功率；

4)电压传感器采集电源的电压信号给微处理器模块进行功率补偿；其中，电压传感器模块将采集到的电源电压信号传输给微处理器模块，微处理器模块根据此电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对电机的输出扭矩进行功率补偿；

5)电流传感器采集电机的工作电流变化，当达到微处理器模块存储的该功率对应的电流值时，关闭功率控制模块，电机停止工作，工作指示灯灭，提示操作人员松开机械开关。本发明采用的电流传感器模块仅在扳手将螺母拧紧时采集电机的电流信号，也就是说检测电流的目的在于控制电机的停止，而不是控制电机的输出扭矩。

本实施例中，键盘输入模块与微处理器模块相连，键盘输入模块上有加、减、最大扭矩输出、确认按键，方便扭矩的输入修改，使用加减按键可更改输入的扭矩值，使用加、减、确认按键可选择工作模式，使用不同的按键组合可以实现不同的工作模式的变化，如加、减键同时按下可进入扭矩标定界面工作模式。所有的工作模式最终以所需的扭矩显示在显示模块上，微处理器模块按此扭矩值找出对应的功率值。

本发明的电动扭矩扳手采用电机输出功率与电机输出扭矩之间的对应关系，来控制扳手经变速机构在末端输出轴上的扭矩。在扳手机械开关按下的时刻便确定了电机的功率，即在扳手开关按下开始时以一对应功率控制扳手的扭矩输出，而不是在扳手工作过程中采集电流、转速等信号控制扳手的扭矩，同时用电压传感器模块实时采集电源的电压波动进行功率补偿，因而扳手扭矩值控制稳定，并满足无极调整输出扭矩的要求，提高了扳手输出扭矩控制精度。

本发明中电动扭矩扳手还包括一个现场扭矩标定系统。因现场工作环境的不同，螺栓螺母摩擦系数、规格尺寸强度等级的不同，螺栓螺母间是否安装垫圈、温度的不同等因素引起扳手扭矩输出偏差，为此本实施例的电动扭矩扳手提供了一个现场扭矩实时标定系统。使用者输入所需的扭矩值后，系统提供了一个功率可更改的操作界面，通过反复几次试拧紧螺栓确定所需要的功率，并将此扭矩-功率对应关系保存在微处理器模块里，此扭矩-功率关系值可保存几组到几十组，方便现场随时调用。现有的技术标定过程通常是由制造厂商完成了，需专业人员进行，对操作人员没有扭矩标定界面，本发明现场扭矩标定系统提供了一个扭矩标定界面，可以由操作人员完成。

本实施例的电动扭矩扳手是一种可调扭矩输入、多种工作模式、无极功率控制，具有可实时标定功能的无冲击力电动扭矩扳手，此扳手对扭矩值的控制属于过程控制，扭矩值的控制精度高，可重复率高，产品的一致性强。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制方法，其特征在于，其步骤为：

1)在键盘输入模块选择一种工作模式，即确定一个所需的扭矩值；

2)微处理器模块根据扭矩-功率关系调出相应的功率值；

3)按下机械开关的常开触点闭合传递给微处理器模块，微处理器模块驱动功率控制模块，电机按此功率带动扳手输出轴旋转；

4)电压传感器采集电源的电压信号给微处理器模块进行功率补偿；

5)电流传感器采集电机的工作电流变化，当达到微处理器模块存储的该功率对应的电流值时，关闭功率控制模块，电机停止。

2.根据权利要求1所述的一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制方法，其特征在于，步骤3)中机械开关串联在电机电源回路上，且机械开关的常开触点连接在微处理器模块上，当按下机械开关时电机电源导通，此时微处理器模块按功率由小到大逐次递增方法升到所需的功率。

3.根据权利要求1所述的一种智能电动扭矩扳手的扭矩控制方法，其特征在于，步骤4)中的电压传感器模块将采集到的电源电压信号传输给微处理器模块，微处理器模块根据此电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对电机的输出扭矩进行功率补偿。