CN107000179B - 具有位置控制的动力工具 - Google Patents

Abstract

公开了一种可再定位的动力扳手(10)，其包括：壳体(11)，电机(12)，其设置在所述壳体(11)中，定位系统(13)，该定位系统设置为监测动力扳手(10)的位置，以及输出轴(14)，其可旋转地连接至电机并且相对于壳体(11)伸缩式地设置，以使输出轴(14)相对于壳体(11)在完全延伸位置(E_max)与完全压缩位置(E_mln)之间轴向移动。弹性构件(25)设置成将输出轴(14)朝向完全延伸位置(E_max)推动。所述输出轴(14)包括输出端(15)，该输出端设置为与紧固件(16)相互作用，其中将传感器(17)设置成监测输出轴(14)相对于壳体(11)的延伸度(E)，使得能够确定输出轴(14)的输出端(15)的位置，而不管输出轴(14)的延伸度(E)。

Description

具有位置控制的动力工具

技术领域

本发明涉及一种具有伸缩式设置的输出轴的可再定位的动力扳手。具体的，本发明涉及相对于与紧固件相互作用而具有功能性改进的工具。

背景技术

可再定位动力扳手用于以高速自动地紧固紧固件，例如螺丝。这种动力扳手自动地定位在将要紧固的紧固件上，其中，随着动力扳手在不同的位置之间再定位，一些紧固件可以被连续地紧固和/或紧固件被传递穿过动力扳手。通常的，一组动力扳手设置有共用结构，一个动力扳手对应一个螺栓，以同时紧固一定数量的螺栓。随着新的工件被传递进临近于共用结构的位置处以及从临近于共用结构的位置处被传递出，该种共用结构移动进操作位置以及从操作位置移动出。可替选地，工件也可以朝向动力扳手横向移动，使得夹持有动力扳手的结构可以保持静止。

通常，上述类型的动力扳手提供有加载弹簧的伸缩式输出轴，其使得随着紧固件进行紧固，扳手的输出端跟随紧固件的轴向移动。因此，应当满足的是，动力扳手在紧固件的轴向方向上被定位在具体的范围内，以便在整个紧固操作当中使动力扳手的输出端跟随紧固件。

一些类似的动力扳手可以设置在不同的位置和高度处的通常结构上，以紧固设置在相应的位置和高度上的工件上的螺栓。每一个扳手适用于紧固在具体位置和在具体轴向高度上的具体长度的螺栓。针对每一个具体的动力扳手，伸缩式输出轴适用于接受可能存在于不同的工件和螺栓之间的轴向公差。

由伸缩式输出轴提供的灵活性的有用之处也在于其利用相同的动力扳手而使不同长度的紧固件被紧固。

然而，在一些应用中，在具体位置上使用具体长度的紧固也是很重要的。在一些情况中，感兴趣的是以相同方式估测紧固件的长度。

在专利文献US2003/0037423A1中公开有控制紧固件长度的方法。根据这种的方法，在紧固操作时期，从表示出工具相对于时间的震动的“螺丝插入特性(Screw InsertionSignature)”中可以估测紧固件长度。与这种方法相关的问题在于，当输出轴达到与紧固件的接触时，将会很难进行推导。然而，并非总是如此的是，输出轴的旋转准确地对应于所产生的紧固件的旋转。在一些场合中，在达到与紧固件接触之前，输出轴可能会旋转，并且有时紧固件可能会旋转而没有正确地插入到应该被紧固的螺纹孔中。因此，当紧固件开始线性旋转而与工件上的接合点(joint)接合时，根据示出了震动的曲线，其将很难及时缩回(retract)准确点，并因此将很难推导出紧固件的长度。此外，紧固件的长度将只能在完成紧固操作之后(而不是在紧固操作的开始阶段)进行估测。

在JP2012-223841A中，公开了一种自动化的螺丝紧固设备。该种螺丝紧固设备适用于提醒螺丝的缺失，使得可以中断紧固操作并且可以使钻头不会与螺丝孔接触，从而不会破坏螺丝孔。这将达到这样的目的：监测钻头的位置，使得当螺丝没有出现在所期望的位置时，则中断操作。这种设备也可以适用于如果在具体位置处具有不足长度的螺丝时，则进行提示。

在JP2012-223841A中描述的设备具有的问题在于钻头与螺丝进行抵接。这就需要非常高的准确度，以使钻头与螺丝恒定地接触而不能过度推进，以避免损伤螺丝、螺纹或者接合点。

因此，这就需要提供一种灵活并且以可靠的方式来提供有监视紧固的螺丝长度的可能性的动力扳手。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有伸缩式设置的输出轴的动力扳手，其允许对紧固过程进行较高程度的控制。

该目的通过根据本发明的权利要求1来实现，其涉及一种具有可再定位的动力扳手，其包括：

-壳体，

-电机，其设置在所述壳体中，以及

-输出轴，其可旋转地连接至电机并且相对于壳体伸缩式地设置，以使输出轴相对于壳体在完全延伸位置与完全收缩位置之间轴向移动，其中，所述动力扳手进一步包括有定位系统或者动力扳手连接至定位系统，该定位系统设置为监测动力扳手的位置，其中，弹性构件设置成将输出轴朝向完全延伸位置推动，并且其中，所述输出轴包括输出端，该输出端设置为与紧固件相互作用，并且将传感器设置成监测输出轴相对于壳体的延伸度，使得能够确定输出轴的输出端的位置。

由于输出轴相对于壳体伸缩式地设置并且设置有用于确定输出轴的延伸度的传感器的事实，能够推导出输出端的精确位置，同时还允许适应性地跟随在将要被紧固的工件上的紧固件的位置。

从而，获得了温和平顺的接触，而不会破坏所述接触的紧密度，并且具有监视操作的可能性。

根据附图和所示出的实施方案的详细描述，本发明的其他特征和优点将会变得明显。

附图说明

在如下详细说明中，将参照所述的附图，在这些附图中：

图1示出了根据本发明的具体实施方案的可再定位的扭矩扳手的示意图；

图2示出了图1中的可再定位扭矩扳手在操作位置处的示意图；

图3示出了在典型的紧固操作期间，到达紧固件减速(rundown)时所传递的扭矩的表示；以及

图4示出了根据本发明的具体实施方案的包括有多个扭矩扳手的结构的示意图。

具体实施方式

在图1和图2中示出了根据本发明的具体实施方案的可再定位的扭矩扳手10。

该种可再定位的扭矩扳手10包括壳体11，在该壳体11中设置有电机12。此外，提供有定位系统13，以监测动力扳手10的位置。

输出轴14可旋转地连接至电机12并且由电机12驱动，该输出轴14相对于壳体11伸缩式地设置，以使输出轴14相对于壳体11轴向移动。输出轴14在完全延伸位置E_max(图1中所示)与完全收缩位置E_min之间是可延伸的，其中弹性构件25设置为将输出轴14朝向完全延伸位置E_max推动。

输出轴14包括输出端15，典型地为套筒(socket)，其设置为与紧固件16(例如螺丝、螺栓或者螺母)相互作用。紧固件16设置在工件26中。传感器17设置为监测输出轴14相对于壳体11的延伸度E，使得可以确定输出轴14的输出端15的位置。传感器17可以为霍尔传感器、电感传感器或者电容传感器。

在典型的实施方案中，电机12驱动电机轴(未示出)，该电机轴经由花键与输出轴14连接。在这种情况下，弹性构件25设置为将输出轴14相对于电机轴朝向完全延伸位置推动。此外，将一个或多个齿轮(例如一个或多个行星齿轮)可以设置在电机12和输出轴14之间。

在所示出的实施方案中，动力扳手10凭借支持器18而是可移动的。该支持器包括两个连接支腿19和20，所述连接支腿使得动力扳手10向上和向下移动，即是在示出的三维坐标系统中的Y方向移动。支持器的基座部分21设置在轨道22上。在所示出的实施方案中，所述基座部分21可以沿着所述轨道22在Z方向移动。然而典型地，基座部分21也可以设置为在附图的内和外沿X方向移动，以在不同的工作台和/或紧固件16(例如螺丝、螺栓或者螺母)之间移动。定位系统13设置为持续地监测动力扳手壳体11的当前位置，并且除了传感器17监测输出轴14的延伸度E，所述输出轴14的输出端15的位置也会被持续地监测。

在图1中，输出轴14不受外界因素的影响，使得输出轴14位于其最外侧位置E_max。在图2中，凭借沿着轨道22移动的基座部分21，动力扳手经由支腿19和20向上移动，并且朝向紧固件16在Z方向向前移动。由于动力扳手10的精确的移动，输出轴14的输出端15已经形成与紧固件16的配合接触，从而输出轴14收缩到在最大延伸E_max与最小延伸E_min的间隔内的延伸度E。随着执行紧固操作并且紧固件16被紧固，输出轴14将会持续地延伸，使得输出端15将会跟随紧固件16，该紧固件轴向地在其路径上进入到工件26的接合点内。

在所示出的实施方案中，动力扳手10进一步包括控制单元23，该控制单元23适用于将输出轴14的输出端15的位置与所述输出端15的预定义位置进行比较。然而，控制单元23和定位系统13可以仅位于动力扳手10外部并且与动力扳手具有一定距离。在这种情况下，动力扳手10将需要与控制单元23和定位系统13能够连接，例如通过有线或无线连接(例如IR、蓝牙等等)的方式进行连接。这种连接方式对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此在说明书中将不会对其进行详细描述。

指示单元24设置为如果输出轴14的输出端15的位置没有对应于所述输出端15的预定义位置，则提醒操作员或者自动化系统。指示单元24可以设置在动力扳手壳体11上或者与动力扳手壳体11之间具有一定距离。指示单元24的目的在于提醒操作员或者自动化系统，使得可以采取适当的行动。因此，将指示单元24定位成应当使操作员注意到。此外，在本发明的具体实施方案中，指示单元24仅记录每一个工作操作的状态，例如紧固件的紧固，其中每一个操作将会被跟踪并且操作的质量问题将会被指示。在该实施方案中，所有操作将会完成而不管质量如何，其中每一个操作的质量将会被记录，使得可以采取后续行动。

典型的，动力扳手10的控制单元23配置为，只有当输出轴14的延伸度E相对于壳体11在预定范围E_min-E_max以内时，才允许开始具体的操作。在紧固件的长度变化并且在一定位置上的紧固件的具体长度是预期长度的情况下，这是很有用的。如果螺丝处于指示了当前螺丝没有对应于预期长度的位置处，那么可以中止操作。换句话说，如果不正确长度的螺丝被紧固在错误的位置处，则会发生问题。如果螺丝太短，接合点将不会完全紧固，如果螺丝太长，随着螺丝冒险到达接合点的背面很远的地方，接合点将会损坏。

不正确长度的螺丝会位于不可预期的位置，因为螺丝的供应通常为由工作在传输带处并且处于紧张条件下的工人所执行手工工作。在这期间少量的螺丝可能会出现在错误的位置。由于这种不正确的定位，当遇到不正确长度的紧固件并且在紧固操作完成之前而导致的紧固操作可能中断，利用本发明中的动力扳手可以避免这些问题，使得接合点不会损坏。

定位系统13可以配置为提供关于相对于紧固件16的动力扳手壳体11的位置的信息。由传感器17监测的相对于壳体11的输出轴14的延伸度被加入到所述信息中，以获得输出轴14的输出端15的正确的轴向位置。

控制单元23适用于当遇到紧固件16时将输出轴14的输出端15的实际位置与预期位置进行比较，以及适用于如果所述实际位置与所述预期位置不对应，则警告工具的操作员。

所述控制单元可以适用于根据输出轴14的延伸度E的监测来控制紧固操作，以根据所述监测来适应输出轴的角速度。

也就是说，为了在尽可能短的时间保持紧固操作，所希望的是在紧固操作的惰转(running down)阶段，保持较高的角速度。然而，存在的问题是传递的扭矩可能会过冲(overshot)。在扭矩建立阶段，当紧固件仅仅转动了一圈之中的很少一部分(例如30至60度)而紧固接合点很难进行时，这是非常麻烦的。在这种情况下，这将不能响应于增加的扭矩而很晚开始使电机减速，并且目标值(扭矩、角度等等)将很可能过冲，这样会出现不期望的并可能有害的拉伸。

也就是说，在现有技术中，通过传递的扭矩值的反馈和/或通过输出轴的角位置的反馈，紧固操作也会受到控制。如上面所阐述的，由于扭矩仅在紧固操作的非常靠后的部分增加并且由于检测的角位置也可能不正确，这种方式是不够的。

通过监测输出轴14的延伸度E，将有可能获得在紧固操作的过程中更可靠的指示。对于已知的紧固件，将会知道紧固件的惰转部分有多长，并且作为在输出轴14的延伸E的点处的结果，扭矩将开始增加，使得角速度在该点之前可能会减少。

换句话说，控制单元可以适用于根据监测输出轴14的延伸E，确保在紧固操作的最初阶段时期，提供有较高的角速度，并且随着紧固操作接近于设定的目标值时，角速度变小。

这在图3中示出，其中扭矩T针对输出轴14的延伸E和紧固件的角位置α而示出。输出轴14的延伸E被定义为与紧固件的减速以及与紧固件的部分(其中紧固件的螺纹与接合点的螺纹接合)的角位置α成比例。如果紧固件旋转而没有与接合点接合，那么没有产生输出轴14的延伸E。根据本发明的设置可以适用于检测例如没有产生的旋转，并且特别地，输出轴的延伸度的监测将足以监测紧固件的位置。

在减速初始阶段的扭矩T非常小并且在初始扭矩T₀处相对地恒定。在初始阶段的结束时，紧固件达到扭矩开始增加的点。在该点处，输出轴14达到了延伸度E₀。在该点之后，随着在紧固件和工件之间的接合点处建立夹持力，扭矩T将朝向目标扭矩T_T开始增加。

本发明的目的在于在紧固操作期间，尽可能长时间的保持输出轴的较高角速度ω，而不会具有超出目标扭矩T_T的风险。典型地，在减速阶段的主要部分时期，角速度ω应当保持为尽可能的高。

通过监测输出轴的延伸度E，在减速阶段的主要部分时期，将会保持角速度ω，并且在达到目标扭矩TT之前，角速度ω也会及时的减小。这可以通常在延伸度E₀(其中扭矩开始增加)之前，通过开始减小角速度ω而获得。

根据本发明的一个方面，其在紧固操作期间根据输出轴的延伸度不同的事实，从而对应于紧固件的轴向行程。然而，在一些情况下，动力扳手10在紧固操作期间移动，以便于跟随正在被紧固的紧固件的移动。在这种情况下，输出轴的输出端的延伸度E将会补偿动力扳手10的任何移动，以便于计算紧固件的轴向行程。从一点(其中在输出轴14的输出端15与紧固件16之间建立了正确接触)到输出轴的输出端15的当前位置，紧固件的该行程路径因此被估算出。

换句话说，通过监测输出轴14的输出端15的实际位置，动力扳手10的相对于紧固件16和工件26的位置被监测。这样完成了同时监测动力扳手的位置和输出轴14的延伸度E。输出端15的记录位置进一步与已知的位置进行比较，其中在该已知的位置紧固件16接近于完全紧固。在这种情况下，控制单元可以配置为，对应于接近于紧固操作的目标位置但是足够远离该目标位置，在输出轴14的输出端15的特定位置处减小角速度，以使得紧固操作结束而不会超出目标扭矩。

图4示出了本发明的典型的实施方案。在该实施方案中，多个扳手110，110’设置在具有独立的伸缩式输出轴114，114’的共用结构27上。所述共用结构27在向下朝向具有多个将要进行紧固的紧固件116，116的工件126，或者工件向上朝向共用结构27。扳手110，110’可以独立地操作，或者可以全部同时操作。定位系统113和控制单元123可以设置为监测每一个输出轴114，114’的输出端115，115’的位置。这些独立的动力扳手110，110’具有相同的功能(如图1和图2中所描述的动力扳手10)，并且在涉及多个动力扳手和紧固件的紧固操作期间可以被独立地控制。

在所示出的实施方案中，在图4右侧的动力扳手110’单独地适用于与其他紧固件116相比、位于不同高度的紧固件116’。利用动力扳手110’的单独的适配，输出端115’将具有相对于紧固件116’的初始位置，该紧固件116’对应于在其他输出轴114与相应的紧固件116之间的相互位置，使得为每一个紧固件提供了类似间距(span)的灵活性。在图4中的左侧设置的紧固件116”长于其他紧固件。这样是有意或无意的，可以提供输出轴114的间距，以满足任何类型的接合点。根据本发明，将会提示定位系统，当输出端115达到紧固件116”时以辅助监测输出轴114的延伸，并且如果紧固件116”达到指示了不正确长度的位置时，警告操作员或者自动化系统。

如上面所描述的，本发明已经参考具体的实施方案来进行描述。但是发明并不限于该实施方案。对于本领域技术人员来说，在由所附权利要求进行限定的保护范围以内，包含在本发明中的其他实施方案是显而易见的。

Claims (13)

1.一种可再定位的动力扳手(10)，包括：

-壳体(11)，

-电机(12)，其设置在所述壳体(11)中，以及

-输出轴(14)，其能够旋转地连接至电机并且相对于壳体(11)伸缩式地设置，以使输出轴(14)相对于壳体(11)在完全延伸位置(E_max)与完全收缩位置之间轴向移动，弹性构件(25)设置成将输出轴(14)朝向完全延伸位置(E_max)推动，其中，所述动力扳手(10)进一步包括有定位系统(13)，或者动力扳手(10)连接至定位系统(13)，该定位系统(13)设置为监测动力扳手(10)的位置，其特征在于：所述输出轴(14)包括输出端(15)，该输出端设置为与紧固件相互作用，并且将传感器(17)设置成监测输出轴(14)相对于壳体(11)的延伸度(E)，使得能够确定输出轴(14)的输出端(15)的位置。

2.根据权利要求1所述的动力扳手(10)，其中，所述动力扳手(10)进一步包括有控制单元(23)或者动力扳手(10)能够连接至控制单元(23)，该控制单元(23)适用于将输出轴(14)的输出端(15)的位置与所述输出端(15)的预定位置进行比较。

3.根据权利要求2所述的动力扳手(10)，其中，将指示单元(24)设置为，如果输出轴(14)的输出端(15)的位置没有对应于所述输出端(15)的预定位置，则发出警告。

4.根据权利要求2或3所述的动力扳手(10)，其中，所述控制单元(23)配置为，只有当输出轴(14)相对于壳体(11)的延伸度(E)在预定范围以内时，才开始具体的操作。

5.根据权利要求4所述的动力扳手(10)，其中，所述定位系统(13)配置为，提供关于动力扳手(10)相对于紧固件(16)的位置的信息，其中，通过传感器(17)监测的输出轴(14)相对于壳体(11)的延伸度被加入到所述信息中，以获得输出轴(14)的输出端(15)相对于紧固件(16)的正确的轴向位置。

6.根据权利要求5所述的动力扳手(10)，其中，所述控制单元(23)适用于，当遇到紧固件(16)时将输出轴(14)的输出端(15)的实际位置与预期位置进行比较，以及适用于，如果所述实际位置与所述预期位置不对应，则警告动力扳手(10)的操作员。

7.根据权利要求2或3所述的动力扳手，其中，所述控制单元(23)适用于，根据对输出轴(14)的延伸度(E)的监测来监测紧固操作，并且基于所述监测来适应输出轴的角速度。

8.根据权利要求7所述的动力扳手，其中，所述控制单元适用于，在紧固操作的最初阶段时期，确保提供较高的角速度，以及随着紧固操作接近设定目标值(E_T)时，确保角速度减小。

9.根据权利要求1所述的动力扳手(10)，其中，所述电机(12)驱动经由花键连接至输出轴(14)的电机轴，并且其中，所述弹性构件(25)设置为将输出轴(14)相对于电机轴朝向完全延伸位置推动。

10.根据权利要求1所述的动力扳手(10)，其中，所述传感器(17)为霍尔传感器、电感传感器或者电容传感器。

11.一种动力扳手系统，其包括根据权利要求2所述的动力扳手；定位系统，其设置为监测动力扳手(10，110)的位置；以及控制单元(23，123)，该控制单元(23，123)适用于将输出轴(14，114)的输出端(15，115)的位置与所述输出端(15，115)的预定位置进行比较。

12.根据权利要求11所述的动力扳手系统，其中，该系统包括多个动力扳手(110)，所述动力扳手设置在共用结构(27)上，所述控制单元(123)适用于将动力扳手(110)中的每一个的输出轴(114)的输出端(115)的位置与各个输出端(115)中的每一个的预定位置进行比较。

13.一种监测根据权利要求1所述的可再定位的动力扳手的伸缩式输出轴的输出端的位置的方法，其特征在于包括以下步骤：

-监测动力扳手的位置；

-监测输出轴相对于动力扳手的壳体的延伸度(E)；

-基于监测的动力扳手的位置和监测的输出轴相对于壳体的延伸度(E)，从而确定输出轴的输出端的位置。