CN105899332B

CN105899332B - 用于拧紧紧固件的动力工具与方法

Info

Publication number: CN105899332B
Application number: CN201480068590.XA
Authority: CN
Inventors: E·G·贝克; E·V·佩尔松; K·F·沃德曼
Original assignee: Atlas Copco Tools AB
Current assignee: Atlas Copco Industrial Technique AB
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-10-31
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: JP2017501896A; US10232497B2; CN105899332A; US20160318164A1; EP3083148B1; WO2015091987A1; KR20160099693A; BR112016014502A2; KR102332080B1; EP3083148A1; JP6714511B2; BR112016014502B1

Abstract

本发明涉及一种用于拧紧紧固件的动力工具与方法，该动力工具包括用于测量紧固件的旋转角度(α)的角度测量装置(101)和用于测量在拧紧期间传递至紧固件的扭矩(T)的扭矩测量装置(102)。处理器(103)布置为用于计算完成从所测量的旋转角度至预定的目标角度的紧固件拧紧所需的拧紧能量(E_t)，其中，基于测量的旋转角度(α)、目标角度(α_t)以及结合部的刚度(k)来计算拧紧能量。所述工具包括连接至动力工具的可旋转部分的电机(104)，所述电机(104)用于驱动紧固件的拧紧。调节器(105)连接至电机以调节电机的旋转速度(ω)，以在动力工具的可旋转部分提供采用旋转惯量形式的旋转能量(E_r)，从而满足所需的拧紧能量(E_t)。

Description

用于拧紧紧固件的动力工具与方法

技术领域

本发明大体涉及一种用于拧紧紧固件的动力工具，以及涉及一种拧紧紧固件的方法。

背景技术

例如在不同的装配过程中，紧固件被用于形成结合部，其中可以利用动力工具来拧紧这些紧固件。通常，希望提高拧紧紧固件的速度和准确度。另一个重要方面在于改善动力工具操作期间的人体工程学性能。

以前，通常将紧固件拧紧至预定的扭矩，而不会考虑拧紧的过程中所使用的能量。为了提高拧紧准确度，在平缓后的最终拧紧步骤期间必须降低速度。因此，施加于操作者的反作用力会相对较高。

为了缓解这个问题，WO 2009/011633 A1公开了一种用于动力工具的调节器，其中将结合部的紧固件拧紧至预定的目标扭矩。该调节器布置为计算达到预定的目标扭矩所需的能量的大小。因此在拧紧期间可以利用较高速度，从而降低施加于工具的操作者的反作用力。

然而，在紧固件的拧紧期间，不同的结合部之间的摩擦可能存在变化，这会影响拧紧结合部所需的扭矩。因此，当基于目标扭矩来控制拧紧时，由于这些摩擦变化，会导致夹紧力的变化。

除此之外，当利用较高的旋转速度来提供有利于满足人体工程学性能的紧固件的拧紧所需的旋转能量时，在结合部的旋转部件与静止部件之间的交界处会产生热量。为此，交界处的摩擦系数会受到影响。因此，当控制扭矩以达到预定的目标扭矩时，结合于这种摩擦的变化，取决于结合部的几何因素的最终角度也可能发生变化。从而，所产生的夹紧力(该夹紧力是结合部非常重要的品质因素)会基于这些因素而改变。

例如，可以通过降低拧紧期间的旋转速度来减小交界处的摩擦变化，但是由于这降低了拧紧速度并且可能导致操作者承受更大的反作用力，因此是不利的。

发明内容

本发明的目标在于：提供一种快速且有利于满足人体工程学性能的紧固件的拧紧，同时降低摩擦对夹紧力的作用并且维持夹紧力的较高准确度。

因此，本发明涉及一种用于拧紧紧固件的动力工具，该动力工具包括用于测量紧固件的旋转角度(α)的角度测量装置和用于测量在拧紧期间传递至紧固件的扭矩(T)的扭矩测量装置。电机连接至动力工具的可旋转部分，用于驱动紧固件的拧紧。所述工具进一步包括或者连接至用于计算完成从所测量的旋转角度至预定的目标角度的紧固件拧紧所需的拧紧能量(E_t)的装置。基于测量的旋转角度(α)、目标角度以及结合部的刚度(k)来计算所述拧紧能量。调节器连接至电机以调节电机的旋转速度(ω)，从而在动力工具的可旋转部分提供旋转惯量形式的旋转能量(E_r)，来满足所需的拧紧能量(E_t)。

从而，能够实现紧固件的快速且有利于满足人体工程学性能的拧紧，同时降低摩擦对夹紧力的作用并且由此维持较高的准确度。在拧紧期间的较长时间段内，可以利用较高的拧紧速度，并且可以平缓地保持较高的拧紧速度。

结合部的刚度(k)可以限定为紧固件的每旋转角度的扭矩变化率，k＝ΔT/Δα。

所述调节器可以布置为在拧紧期间连续地或间歇地调节电机的速度(ω)。

从而，在拧紧期间，旋转速度的调节可以动态地更新，以考虑例如线性性能方面的变化和偏差。

连接至电机以调节电机的旋转速度(ω)的调节器可以是串联调节器，例如，所述串联调节器包括用于调节速度的速度调节器，所述速度调节器连接至电流调节器，所述电流调节器用于调节用于电机的驱动电流，以便控制旋转速度。

完成紧固件的拧紧所需的拧紧能量(E_t)可以估算为：

E_t＝k(α_t ²-α²)/2，

其中，k为扭矩变化率(结合部的刚度)，α_t为目标角度，α为实际测量角度。

从而，利用线性逼近来计算所需的拧紧能量。

连接至电机的工具的旋转部分中的旋转能量(E_r)可以描述为：

E_r＝Jω²/2，

其中，ω为旋转速度，J为动力工具中的旋转部分的转动惯量。

提供动力工具的可旋转部分中采用旋转惯量形式的旋转能量(E_r)以满足所需的拧紧能量(E_t)所需要的旋转速度(ω)可以计算为：

ω＝SQRT(k(α_t ²-α²)/J)，

其中，ω为旋转速度，平方根，k为扭矩变化率(结合部的刚度)，α_t为目标角度，α为实际测量角度，J为动力工具中的旋转部分的转动惯量。动力工具中的旋转部分的转动惯量可以针对具体的动力工具而测量或计算得出。

可以使旋转速度保持在较高的水平，直至所需的拧紧能量小于动力工具的可旋转部分中的采用旋转惯量形式的旋转能量(E_r)。从而，可以实现快速且有利于满足人体工程学性能的紧固件拧紧。

所述动力工具可以配置为在紧固件的预定的旋转目标角度处中断拧紧。

目标角度和测量的角度可以根据平缓角α₀处的平缓来限定，即，限定零度角。

因此，可以由开始平缓的线性扭矩变化率来估计结合部的刚度，并且可以基于该扭矩变化率来进行拧紧能量的计算。

可以将平缓前的部分限定为处于低于平缓角的角度处，并且可以将平缓后的部分限定为处于大于平缓角的角度处。

也存在一些限定平缓角的替代方法。例如，平缓可以通过扭矩阈值来定义。作为替代，平缓可以通过扭矩-角度关系曲线中的拐点来限定。平缓角可以限定为这样的线性投影角α₁：其沿着扭矩-角度关系曲线而位于对应于扭矩-角度关系曲线中的零扭矩的平缓之上。或者，平缓角可以限定为这样的角度α₂：其穿过在平缓前后的扭矩-角度关系曲线的线性近似。

目标角度根据具体的紧固件和结合部的状态来预先确定。

目标角度可以是紧固件的旋转圈数的一圈或多圈，和/或是圈数的一部分。目标角度可以是从平缓(snug)开始的至少10度、30度、50度、70度、90度、120度，和/或小于150度、180度、210度、270度、360度、720或者更大。

本发明进一步涉及一种动力工具组件，该动力工具组件包括如本文所描述的动力工具、用于计算拧紧能量(E_t)的装置以及调节器。

本发明进一步涉及一种拧紧紧固件的方法，该方法包括以下步骤：

-测量紧固件的旋转角度，

-测量传递至紧固件的扭矩，

-计算完成从所测量的旋转角度至预定的目标角度的紧固件拧紧所需的拧紧能量(E_t)，其中，所述拧紧能量基于测量的旋转角度α和结合部的刚度(k)来计算，

-调节电机的旋转速度(ω)，以在动力工具的可旋转部分提供满足所需的拧紧能量(E_t)的采用旋转惯量形式的旋转能量(E_r)，

-利用所提供的旋转能量来拧紧紧固件。

所述方法步骤可以在拧紧期间连续地或间歇地重复。

从而，可以实现快速且有利于满足人体工程学性能的紧固件拧紧，同时摩擦对降低夹紧力的作用并且维持较高的准确度。

根据附图以及根据所示实施方案的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得明显。

附图说明

在下列详细的说明中，参考附图来进行描述，其中：

图1示出了动力工具的示例。

图2示出了扭矩-角度和旋转-角度的示意图。

图3示出了拧紧紧固件的方法的示例。

具体实施方式

图1示出了用于拧紧紧固件的动力工具100。在所示出的实施方案中，动力工具为角度张紧器，然而本发明还涉及手枪式张紧器或笔直张紧器。该工具包括由操作者或者由固定装置来支持的体部106。连接至体部的工具头107配置为接收紧固件，以便通过工具拧紧。电机103连接至动力工具的可旋转部分，用于驱动工具头并从而拧紧紧固件。所述可旋转部分可以包括电机本身的可旋转部分、轴、齿轮等等(即，拧紧期间在动力工具中旋转的组合的大量装置)。这些可旋转部分具有组合的旋转惯量J，该组合的旋转惯量J可以针对具体的工具而计算或测量得出。

所述工具包括角度测量装置101，用于测量紧固件的旋转角度α。所述角度测量装置可以是角度编码器。

此外，扭矩测量装置102(例如扭矩传感器)布置为用于测量在拧紧期间传递至紧固件的扭矩T。在所示出的实施方案中，扭矩测量装置布置在动力工具的电机103与工具头107之间。但是，该扭矩测量装置可以布置在沿着驱动线路的任何地方，并且还可以布置为对工具中的反作用扭矩进行测量。

所述工具包括处理单元104。作为替代，该处理装置包括于配置为驱动工具的单独的驱动器，所述驱动器连接至动力工具。该驱动器可以通过电线而电连接至工具，或者无线连接至工具。处理单元连接至角度测量装置101和扭矩测量装置102，以接收旋转角度和扭矩的测量。处理单元104配置为计算完成从所测量的旋转角度至预定的目标角度的紧固件拧紧所需的拧紧能量E_t。拧紧能量E_t计算如下

E_t＝k(α_t ²-α²)/2

其中，k为每角度的扭矩变化率(结合部的刚度，k＝ΔT/Δα)，α_t为目标角度，α为实际测量角度。因此，基于测量的旋转角度α、目标角度以及结合部的刚度k来计算拧紧能量。

处理单元104进一步配置为计算电机的旋转速度ω，以提供动力工具中的旋转能量E_r的量(在工具的可旋转部分中采用旋转惯量形式)，从而满足所需的拧紧能量E_t。连接至电机的工具的可旋转部分中的旋转能量E_r计算如下：

E_r＝Jω²/2

通过令拧紧能量E_t与旋转能量E_r相等，从而所需的旋转速度ω可以计算如下：

ω＝SQRT(k(α_t ²-α²)/J)。

如果满足拧紧能量E_t所需的旋转速度大于工具的最大旋转速度ω_m，则可以将电机的旋转速度ω限定为最大旋转速度ω_m。

动力工具进一步包括用以调节电机103的旋转速度的调节器105。该调节器布置为将速度调节至由最大旋转速度ω_m限定的计算旋转速度ω。可选地，调节器包括于连接至工具并且配置为控制工具的驱动器。从而，可以将扭矩和旋转角度的测量传送至驱动器(其中，旋转速度ω按照本文所公开的方法计算得出)，并且将用于调节电机的控制信号传送回动力工具中的电机。

动力工具的工作如图2中所示，图2示出了拧紧期间的扭矩-角度的示意图，并且包括旋转速度ω。

最初，在较低的旋转角度下，由扭矩测量装置测得的扭矩T较小，小于阈值T₀。这是衰弱(run-down)阶段，在这个阶段紧固件的实际拧紧还未开始。在衰弱阶段的最后，扭矩开始增大，这可以视为扭矩-角度关系的拐点。这被定义为平缓角α₀(该平缓角α₀限定计算中的零度角)处的“平缓”。平缓角可以通过扭矩的阈值水平T₀来检测。作为替代，平缓可以通过检测扭矩-角度关系中的拐点(即，通过监控扭矩-角度关系的梯度)来限定。

在平缓水平之上，扭矩随着紧固件旋转而增大，由扭矩变化率k＝ΔT/Δα来表示。k可以在拧紧期间计算得出，或者在特定的条件下针对特定的紧固件可以是已知的。在该阶段，如上所述，通过令拧紧能量E_t与旋转能量E_r相等而计算得出旋转速度。最初(如图2中所示)旋转速度可能受最大旋转速度ω_m限制，然而，随着拧紧继续进行，在角度α_x处，工具中的旋转能量估计为可以完成达到目标角度α_t的拧紧。其后，旋转速度由于用来拧紧紧固件的旋转能量而连续地降低。计算随着拧紧继续进行而频繁地更新(例如，以4kHz的频率更新)，从而根据拧紧系统中的非线性影响而动态地调节旋转速度。

随着紧固件朝向目标角度α_t旋转，旋转速度连续地降低，理想情况下达到目标角度α_t处的零值。此后拧紧停止。因此，可以使拧紧期间的旋转速度保持在最大水平，直至工具中的旋转能量足够完成达到目标角度α_t的拧紧。因此，拧紧较快速并且动力工具上的反作用力的影响得以降低，提高了工具的人体工程学性能。通过降低摩擦对拧紧结果的影响，拧紧的质量得以进一步提高。因此，提高了夹紧力的准确度。

参考图3来进一步描述动力工具的工作，图3示出了拧紧紧固件的方法300的方法步骤。该方法包括测量紧固件的旋转角度的步骤301，以及测量传递至紧固件的扭矩的步骤302。在步骤303计算完成从所测量的旋转角度至预定的目标角度的紧固件拧紧所需的拧紧能量E_t。如上所述，基于测量的旋转角度α和结合部的刚度k而计算得出拧紧能量。在步骤304，调节电机的旋转速度ω，以提供在动力工具的可旋转部分采用旋转惯量形式的旋转能量E_r，从而满足所需的拧紧能量E_t。在步骤305，利用所提供的旋转能量来完成紧固件的拧紧。该过程在紧固件的拧紧过程中连续地重复。在步骤306，在紧固件的预定旋转目标角度处中断拧紧。

Claims

1.一种用于拧紧紧固件的动力工具(100)，包括：

角度测量装置(101)，其用于测量紧固件的旋转角度(α)，

扭矩测量装置(102)，其用于测量在拧紧期间传递至紧固件的扭矩(T)，以及电机(104)，其连接至动力工具的可旋转部分，用于驱动紧固件的拧紧，

其中，所述动力工具包括或者连接至：

处理器(103)，其用于计算完成从所测量的旋转角度(α)至预定的目标角度(α_t)的紧固件拧紧所需的拧紧能量(E_t)，其中，基于测量的旋转角度(α)、目标角度(α_t)以及结合部的刚度(k)来计算所述拧紧能量，

调节器(105)，其连接至电机以调节电机的旋转速度(ω)，从而在动力工具的可旋转部分中提供采用旋转惯量形式的旋转能量(E_r)，以满足所需的拧紧能量(E_t)，其中，所述动力工具配置为在紧固件的预定旋转目标角度(α_t)处中断拧紧，目标角度(α_t)根据平缓角(α₀)处的平缓来限定。

2.根据权利要求1所述的动力工具，其中，根据测量的扭矩(T)和旋转角度(α)来计算结合部的刚度(k)，作为紧固件的每旋转角度的扭矩变化率，k＝ΔT/Δα。

3.根据权利要求1或2所述的动力工具，其中，在拧紧期间，所述调节器连续地或间歇地调节电机的旋转速度(ω)。

4.根据权利要求1所述的动力工具，其中，在动力工具的可旋转部分提供的满足所需的拧紧能量(E_t)的采用旋转惯量(J)形式的旋转能量(E_r)所需要的旋转速度(ω)计算为：

ω＝SQRT(k(α_t ²-α²)/J)。

5.根据权利要求1所述的动力工具，其中，使旋转速度保持在较高的水平，直至所需的拧紧能量小于动力工具的可旋转部分中采用旋转惯量形式的旋转能量(E_r)。

6.一种拧紧紧固件的方法，包括以下步骤：

-步骤301：测量紧固件的旋转角度(α)，

-步骤302：测量传递至紧固件的扭矩(T)，

-步骤303：计算完成从所测量的旋转角度(α)至预定的目标角度(α_t)的紧固件拧紧所需的拧紧能量(E_t)，其中，基于测量的旋转角度(α)和结合部的刚度(k)来计算所述拧紧能量，

-步骤304：调节电机的旋转速度(ω)，以在动力工具的可旋转部分提供采用旋转惯量(J)形式的旋转能量(E_r)，从而满足所需的拧紧能量(E_t)，

-步骤305：利用所提供的旋转能量来拧紧紧固件，以及

-步骤306：在紧固件的预定旋转目标角度(α_t)处中断拧紧，目标角度(α_t)根据平缓角(α₀)处的平缓来限定。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，结合部的刚度(k)为紧固件的每旋转角度的扭矩变化率，k＝ΔT/Δα。

8.根据权利要求6-7的任一项所述的方法，其中，在拧紧期间，连续地或间歇地调节旋转速度。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，在动力工具的可旋转部分提供满足所需的拧紧能量(E_t)的采用旋转惯量(J)形式的旋转能量(E_r)所需要的旋转速度(ω)计算为：

ω＝SQRT(k(α_t ²-α²)/J)。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，将旋转速度保持在较高的水平，直至所需的拧紧能量小于在动力工具的可旋转部分中的采用旋转惯量(J)形式的旋转能量(E_r)。

11.根据权利要求6所述的方法，其中，完成拧紧所需的拧紧能量(E_t)基于平缓之后的结合部的刚度(k)来计算。