CN107530870B - 带有输出扭矩补偿的动力工具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种扭矩传输动力工具，其包括角度计和指示器(20)，所述指示器(20)用于监测动力工具的输入轴(14)或输出轴(16)的绝对角位置(α，β)，其中，控制单元(23)设置为从角度计(25)、指示器(20)和扭矩计(24)接收信息，并且根据对应于动力线的至少一个齿轮(17)上的扭矩传输的映射函数来控制电机(12)，以实现更准确的目标扭矩(T_target)。

Description

带有输出扭矩补偿的动力工具及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种扭矩传输动力工具，其中对于沿着动力工具内的动力线的扭矩传输中的变化而对输出扭矩进行补偿。本发明还涉及在这样的动力工具中补偿输出扭矩的方法。

背景技术

在工业上使用扭矩传输动力工具(例如用于紧固接头的动力扳手和螺帽扳手)时，重要的是监测所施加的扭矩，以便验证接头被紧固到令人满意的程度。通常希望将预定的夹紧力施加在接头中。然而，通常难以监测夹紧力，因此通常的做法是在接头中安装特定的目标扭矩来代替控制紧固。

关于监测所传输的扭矩的困难在于，由于接头中的摩擦力和在工具内的齿轮波动等而导致的损失，其以不可预测的方式影响监测值的准确性。接头中的摩擦力在不同的接头之间可以发生很大的变化，但是在特定条件下可以推测对于特定的接头摩擦力是恒定的，并且在紧固接头期间，存在通过经验测试或者通过实时监测来估计特定接头的摩擦力的方式。

由于工具内的齿轮波动等所导致的变化更加难以预测。消除这些问题的一个方法是将扭矩计定位成尽可能靠近接头，即在输出轴上。然而，大体上使动力工具的尺寸最小化与具体地使输出轴附近的精密组件的数量最小化的期望是互相冲突的。

因此，需要这样一种扭矩传输动力工具：其适于传输精确的输出扭矩，而在输出轴附近不包括大量的精密组件。

发明内容

本发明的目标是提供一种输出扭矩具有较小的由于齿轮波动等所导致的输出扭矩的变化的扭矩传输动力工具，以及一种用于传输具有较小的由于齿轮波动等所导致的输出扭矩的变化的准确输出扭矩的方法。这个目标通过本发明根据第一方面和第二方面来实现。

根据第一方面，本发明涉及扭矩传输动力工具，包括：

-由电机驱动的动力线，该动力线包括经由至少一个齿轮驱动地连接至输出轴的输入轴，

-扭矩计，其用于监测沿着动力线在至少一个点上作用的扭矩，

-角度计，其用于监测动力线中的角度旋转。所述扭矩传输动力工具还包括指示器，其用于监测输入轴或输出轴的绝对角位置，其中，控制单元设置为从角度计、扭矩计和指示器接收信息，并且根据对应于在动力线的至少一个齿轮上的扭矩传输的映射函数来控制电机。

通过根据对应于动力线的至少一个齿轮上的扭矩传输的映射函数来控制电机，对输出扭矩进行补偿，使得其由于齿轮波动等所导致的变化得到补偿，并实现了更精确的输出扭矩。

在本发明的扭矩传输动力工具的一个具体实施方案中，角度计包括在电机中，其用于监测由电机直接驱动的电机轴的角度旋转。

在本发明的扭矩传输动力工具的另一个具体实施方案中，扭矩计包括在电机中，其用于监测作用在动力线的输入侧中的扭矩。

在本发明的扭矩传输动力工具的另一个实施方案中，设置有辅助指示器，使得在输入轴和输出轴都设置有指示器，在其中监测输入轴的绝对角位置和输出轴的绝对角位置。

根据第二方面，本发明涉及一种在扭矩传输动力工具(10)中对动力线上的齿轮波动进行扭矩输出补偿的方法，所述扭矩传输动力工具包括输入轴、输出轴和设置在输入轴和输出轴之间的至少一个齿轮，所述方法包括以下步骤：

-由电机驱动输入轴，该输入轴驱动地连接至包括至少一个齿轮的动力线上的输出轴，

-监测输入轴或输出轴的角度旋转，

-监测电机轴或输出轴的角度指示位置，以获得所述轴的绝对角度，

-根据对应于与动力线上的扭矩传输相关的角度指示位置的映射函数来补偿电机的扭矩输出，以传输来自输出轴的输出扭矩，该输出扭矩补偿动力线上扭矩传输的角度变化。

在本发明的方法的具体实施方案中，监测角度指示位置的步骤包括监测输入轴和输出轴的角度指示位置的子步骤。

本发明的其它特征和优点从附图和所示的实施方式的详细描述中将是显而易见的。

附图说明

在下文中将参照所附附图进行详细的描述，其中：

图1是根据本发明具体实施方案的扭矩传输动力工具的示意图；

图2是显示了齿轮全旋转过程中的来自恒定输入扭矩的输出扭矩的典型相关性的示意图；

图3是显示了根据增加的输入扭矩的输出扭矩接近目标扭矩的示意图；

图4是显示了齿轮全旋转过程中的根据补偿的输入扭矩的输出扭矩的示意图；

图5是显示了在齿轮的十七次旋转过程中的来自恒定输入扭矩的输出扭矩典型相关性的示意图；

图6是显示了在齿轮的十七次旋转过程中的根据补偿的输入扭矩的输出扭矩示意图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了根据本发明具体实施方案的扭矩传输动力工具10。

该动力工具10包括壳体11，所述壳体11包围驱动电机轴13的电机12。触发器22设置为控制电机12的功能。电机12设置为经由动力线来驱动输出轴。动力线包括由齿轮17分离的输入部分和输出部分。在图1所示的实施方案中，输入部分14包括输入轴，输出部分包括输出轴16。

电机轴13经由减速齿轮15而驱动地连接至输入轴14。典型地，减速齿轮15可以为行星齿轮。在具体实施方案中，可以省略减速齿轮15，使得电机轴13直接连接至输入轴14。

如上所述，输入轴14经由齿轮17连接至输出轴16。在所示的实施方案中，齿轮17为锥齿轮(angle gear)。然而，该齿轮也可以为偏置齿轮、行星齿轮，甚至角座(crow foot)。典型地，齿轮可以为连接输入部分和输出部分的任意部件。所示实施方案的齿轮17包括输入伞齿轮(bevel gear)17a和输出伞齿轮17b；所述输入伞齿轮17a为输入轴的端部；所述输出伞齿轮17b为输出轴16的端部。输入轴14以轴承18支撑在轴颈处，输出轴16以轴承19支撑在轴颈处。在所示的实施方案中，两个指示器设置为监测输入轴14的绝对角位置和输出轴16的绝对角位置。输入指示器20设置为监测输入轴14的绝对角位置，输出指示器21设置为监测输出轴16的绝对角位置。

动力工具还包括控制单元23，其特别地设置为控制电机12的动力输出。将输入轴14和输出轴16的绝对角位置的监测分别提供给控制单元23，并在控制动力输出时进行考虑。

扭矩计24设置为监测从电机到输出轴的沿着动力线的扭矩。在所示的实施方案中，扭矩计24设置为测量减速齿轮15和壳体11之间的扭矩。扭矩计24设置在动力线的输入部分，以监测作用于动力线的输入部分的扭矩。扭矩可以是电机的不可分割的部分。扭矩计24连接至控制单元23，以使得响应于所监测的扭矩，由控制单元23对电机进行控制。

除了指示器20和21之外，角度计25设置为监测输入轴14和输出轴16的至少一个的旋转。在所示的实施方案中，角度计25设置为监测输入轴14的旋转。由于这意味着没有任何空间需求的仪器靠近输出轴16，所以这是有利的。

本发明的总体思路是对于已知的继承齿轮波动和/或非对称齿轮旋转来补偿电机输出。这可以通过将描述动力线上的扭矩传输的自然变化的数据存储在连接到控制单元的存储单元26中来实现。

在本发明的最简单实施方案中，动力工具包括一个扭矩计24、一个角度计25和一个指示器20或21。

在根据本发明最简单实施方案的方法中，包括以下步骤：

-由电机驱动输入轴，该输入轴驱动地连接至沿动力线包括至少一个齿轮17的输出轴，

-监测输入轴14或输出轴16的角度旋转，

-监测输入轴14或输出轴16的角度指示位置，以获得所述轴的绝对角度，

-根据对应于与沿动力线的扭矩传输相关的角度指示位置的映射函数来补偿电机的扭矩输出，以对于沿动力线的扭矩传输的角度变化来补偿来自输出轴的输出扭矩。

利用该方法，可以传输更精确和更准确的扭矩输出。在具体实施方案中，设置有角度计和指示器，以连续监测输入轴14的旋转和位置。在这样的实施方案中，动力工具的控制单元23将对输入轴14的绝对位置α连续更新。映射函数存储在存储单元26中，反映了由于输入伞齿轮17a的不规则而导致的沿动力线的扭矩传输的自然变化。典型地，扭矩传输变化取决于输入伞齿轮17a的继承齿轮波动和非对称或非同心。齿轮波动在齿轮的每个齿产生周期性曲线。齿轮的任何非对称或非同心将产生扭矩传输的周期性变化，该周期性变化将在输入伞齿轮17a的每一圈重复。

可以根据输入扭矩T_in和输入伞齿轮的角位置α来描绘输出扭矩T_out。可以对多个不同的扭矩水平形成这种相关性，以监测是否还存在对扭矩水平的相关性。

图2显示了根据输入伞齿轮17a的角位置α的扭矩T的示意图。示意性地示出了根据恒定的输入扭矩T_in的输出扭矩T_out的典型描绘。在典型实施方案中，输入伞齿轮17a具有11个齿。因此，如图所示，输出扭矩T_out具有11个波峰和11个波谷的波形。波峰对应于输入伞齿轮17a与输出伞齿轮17b接触良好的点，并且波谷对应于输入伞齿轮17a与输出伞齿轮17b接触较差的点。除了对应于齿轮波动的这种变化之外，在曲线中也可以存在根据输入伞齿轮17a的非对称或非同心的整体趋势。该整体趋势在图2中通过虚线L来显示。

图3为根据输入齿轮14的角位置α的输出扭矩T_out的完全示意图。在图3的图示中，输出扭矩T_out以输入扭矩T_in为中心而围绕。在常见的动力扳手中，基于来自设置在经由齿轮联接到输出轴的输入轴上的扭矩计的信号控制电机，紧固操作将在点2处结束，此时扭矩计显示已达到目标扭矩T_target。然而，如图3中夸张地所示，点2处的实际扭矩水平远高于期望的目标扭矩T_target。

基于描述动力线上的扭矩传输的映射函数，根据输入齿轮14的角位置α，紧固操作可以在点1处结束，在此所传输的扭矩更接近地对应于期望的目标扭矩T_target。

在本发明更复杂的版本中，映射函数不仅仅基于输入齿轮14的角位置α，也基于输出齿轮16的角位置β。这将参考本发明的第二实施方案描述如下。在第二实施方案中，控制单元23设置为以这样的方式来控制电机12：根据输入齿轮14的角位置α和/或输出齿轮16的角位置β来补偿动力线上的扭矩传输的变化。

作为关于图3所描述的补偿的替代，也可以通过以相应的角度改变输入扭矩T_in来补偿图2所示的相关性，以实现基本上恒定或至少不易变化的输出扭矩T_out。这通过以下方式来实现：将补偿曲线或补偿表存储在存储单元26中，并且控制单元23根据期望的输出扭矩T_out和输入轴14的角位置α来控制电机12。

为了实现该补偿，控制单元23需要接收对应于输入伞齿轮17a或完整的输入轴14的当前绝对角位置的数据。在一个实施方案中，动力工具10包括角度计，该角度计始终监测输入轴14的角位置α，即，即使动力工具处于静止状态也是如此。利用这样的角度计，当工具启动时，将直接获得输入轴14的绝对位置。这样的解决方案当然需要带有连续的电源，例如备用电池，所述连续的电源即使工具关断时也为角度计供电。然而，大多数角度计设置为简单地监测其上设置的轴的角运动，并且不设置为跟踪所述轴的绝对角位置。因此，这样的角度计将不提供关于轴的绝对角位置的任何信息。因而，动力工具将需要设置有指示器，其设置为跟踪轴的角位置。指示器20可以为角度计25的组成部分，或者其可以设置为单独部分。角度计25也可以为电机12的组成部分。

图4为在输入齿轮14的17次全旋转过程中根据角位置α的补偿的输出扭矩T_out-comp的示意图。如图3所示，输入扭矩是补偿的输入扭矩T_in-comp，其适于提供尽可能无变化的补偿的输出扭矩T_out-comp。理论上，可以根据提供给电机的电流，利用输出扭矩T_out的相应曲线来控制输出扭矩T_out。然而，为了更好的准确性，希望在动力线的输入部分上设置有扭矩计。

在上述关于图3的方法中，扭矩输出T_out仅对于与输入轴14相关的差异进行补偿。然而，通常，在取决于输出轴16和输出伞齿轮17b上的不规则性的扭矩传输中也存在变化。通常，输出伞齿轮17b比输入伞齿轮17a有更多的齿，使得齿轮17形成为减速齿轮。在典型的扭矩传输动力工具中，输入伞齿轮17a具有11个齿，而输出伞齿轮17b具有17个齿。在仅考虑输入轴14的绝对角位置α的关于图3的方法中，将不对取决于输出伞齿轮17b上的不规则性的扭矩传输中的变化进行补偿。

在角度计持续监测角位置的动力工具中，即，即使工具关断时，也可以用设置在输入轴14上的指示器20和角度计25来跟踪输出轴16的旋转位置。在这样的实施方案中，也将可以对取决于输入伞齿轮17a和输出伞齿轮17b的扭矩传输中的不规则性进行补偿。这可以通过监测在所有可能的齿的相互作用上(即，在输入轴14的十七次转动过程中)的扭矩传输来实现。当输入轴14旋转17圈时，输出轴16将旋转11圈，新的循环将开始。在图4中示出了一个示例性示意图，其显示出在17个旋转(即17*360度或17*2πrad)中，根据输入轴14的绝对角位置α的扭矩输出T_out。

作为全时绝对角度计的替代，第二指示器21可以设置在输出轴16上，以便跟踪输出轴16的绝对角位置β。由于控制单元可以计算输出轴16的角位置β，因此不需要额外的角度计。此外，一旦指示器20和21都告知其位置，则控制单元23可以利用从一个角度计取回的数据而确定输入轴14和输出轴16的相互位置，因此可以沿着与所述输入轴14的十七次全旋转相对应的曲线来确定输入轴14的绝对角位置α。

图5为显示了在输入轴的17次旋转(即17*2πrad)中的根据恒定的输入扭矩T_in的输出扭矩T_out的示意图。如图所示，输出扭矩T_out在输入轴的17次旋转中变化很大。输出扭矩T_out的变化的指示由delta扭矩ΔT_out给出，ΔT_out表示输入轴的17次旋转中最高和最低扭矩峰值之间的差。

在图6中，对于输入轴的17次旋转中的补偿的输入扭矩T_in-comp示出了类似的表示。很明显，补偿的输出扭矩T_out-comp也在17次旋转中变化，但是值得注意的是，补偿的delta扭矩ΔT_comp比图4所示的未补偿的delta扭矩ΔT_out大约小50％。delta扭矩ΔT_out可以减小的大小取决于许多参数，例如补偿的输入扭矩T_in-comp的精度、电机的精度、控制单元等。本领域技术人员很容易测试和改进这样的参数。操作速度也是个因素。操作越慢，补偿输入扭矩T_in-comp就越有效，以获得均匀可靠的补偿的输出扭矩T_out-comp。在快速操作中，根据映射函数简单地监测输出扭矩T_out可以更有效。

上文参照具体的实施方案描述了本发明。然而，本发明不限制于这些实施方案。对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明包括由所附权利要求限定的其保护范围内的进一步的实施方案。

Claims (7)

1.一种扭矩传输动力工具(10)，包括：

-由电机(12)驱动的动力线，所述动力线包括带有输入轴(14)的输入部分、带有输出轴(16)的输出部分、以及至少一个齿轮(17)，所述输入轴(14)经由至少一个齿轮(17)驱动地连接至所述输出轴(16)，其中，电机轴(13)经由减速齿轮(15)而驱动地连接至输入轴(14)，

-扭矩计(24)，其用于监测沿着动力线在至少一个点上作用的扭矩，所述扭矩计沿着动力线的输入部分设置，以及

-角度计(25)，其用于监测动力线中的角度旋转，其特征在于，扭矩传输动力工具还包括指示器(20)，该指示器(20)用于监测输入轴(14)或输出轴(16)的绝对角位置(α，β)，其中，控制单元(23)设置为从角度计(25)、扭矩计(24)和指示器(20)接收信息，并且根据对应于与在动力线上的扭矩传输相关的角度指示位置的映射函数来控制电机的扭矩输出，以传输来自输出轴(16)的输出扭矩，该输出扭矩补偿动力线上扭矩传输的角度变化。

2.根据权利要求1所述的扭矩传输动力工具，其中，所述电机(12)包括所述角度计，所述角度计用于监测由电机(12)直接驱动的电机轴(13)的角度旋转。

3.根据权利要求1或2所述的扭矩传输动力工具，其中，所述电机(12)包括所述扭矩计(24)，所述扭矩计(24)用于监测作用在动力线的输入侧的扭矩。

4.根据权利要求1所述的扭矩传输动力工具，其中，设置有辅助指示器(21)，使得在输入轴(14)和输出轴(16)都设置有指示器，其中，输入轴(14)的绝对角位置(α)和输出轴(16)的绝对角位置(β)受到监测。

5.根据权利要求1所述的扭矩传输动力工具，其中，所述角度计(25)和所述指示器(20)集成到一个单元中，并且电源设置为向所述单元持续供电，使得持续监测输入轴(14)或输出轴(16)的绝对角位置(α，β)。

6.一种在扭矩传输动力工具(10)中对动力线上的齿轮波动进行扭矩输出补偿的方法，所述扭矩传输动力工具(10)包括输入轴(14)、输出轴(16)和设置在输入轴(14)和输出轴(16)之间的至少一个齿轮(17)，其中，电机轴(13)经由减速齿轮(15)而驱动地连接至输入轴(14)，所述方法包括以下步骤：

-由电机驱动输入轴(14)，该输入轴(14)驱动地连接至沿包括至少一个齿轮(17)的动力线的输出轴(16)，

-监测输入轴(14)或输出轴(16)的角度旋转，

-监测输入轴(14)或输出轴(16)的角度指示位置，以获得所述轴的绝对角位置(α，β)，

-根据对应于与动力线上的扭矩传输相关的角度指示位置的映射函数来控制电机的扭矩输出，以传输来自输出轴(16)的输出扭矩，该输出扭矩补偿动力线上扭矩传输的角度变化。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，监测角度指示位置的步骤包括监测输入轴(14)和输出轴(16)的角度指示位置的子步骤。