CN108136571A - 脉冲工具 - Google Patents

Abstract

一种用于执行紧固操作的电动脉冲工具(10)，其中，扭矩以脉冲的形式传递，以紧固螺纹接合部，所述脉冲工具包括：双向电机(11)，输出轴(12)，用于监测反映了所传递的扭矩脉冲的参数的传感器(14，15，25)，以及用于控制所述电机(11)的控制单元(16)，其中，所述传感器(14，15，25)设置为向控制单元(16)提供关于所监测的参数的信息。所述控制单元(16)设置为，在利用电动脉冲工具(10)在第一方向上执行紧固操作的过程中，控制所述电机以在与所述第一方向相反的第二方向上提供至少一个扭矩脉冲。

Description

脉冲工具

技术领域

本发明涉及一种用于执行紧固操作的电动脉冲工具，其中在紧固操作中，扭矩以脉冲的形式传递至紧固的和/或松开的螺纹接合部。具体的，本发明涉及这样一种电动脉冲工具，其包括传感器和控制单元，所述传感器用于监测反映所传递的扭矩脉冲的参数，而所述控制单元用于在紧固操作过程中，根据所监测到的参数来控制电机。

背景技术

在紧固操作过程中，脉冲工具被用于紧固接合部，利用封装在脉冲工具内部的电机，扭矩以脉冲的形式施加至接合部。通常需要对紧固进行控制，从而使得特定的扭矩或者夹持力施加至接合部。所施加的扭矩可以由扭矩传感器进行监测，但也可以由量角器、加速度计或者监测输出轴的延迟的陀螺仪来间接地监测所施加的扭矩。

在常规的紧固操作中，仅有一部分所施加的扭矩用于实际应用至接合部中的扭矩或者夹持力。而所施加的扭矩的主要部分以摩擦力的形式损失。所述摩擦力取决于温度、湿度以及螺纹的类型和状态。在任何给定的紧固操作中，难以(但不是不可能)预测并确定摩擦力。

因此，始终不能确定应用至接合部中需要多少施加扭矩以及摩擦造成多少损失。在特定情况下，应用的扭矩可能低至施加扭矩的10％。与应用扭矩相关的不确定性可能会导致如下情况：在紧固操作中，在预定的时间间隔内动态测量的扭矩被认为是有效的夹持力，或者静态的应用扭矩可能太低或太高。

在现有技术中，存在对夹持力进行监测而不是监测动态扭矩的方法。然而，这种方法既繁琐又费时，这是因为该方法涉及到使用超声传感器或者类似的设备，其中，为了估算夹持力，所述超声传感器或类似设备可以对螺钉或螺栓的伸长度进行监测。

其他方法可以从在相反方向上测量的扭矩中间接地推导出夹持力。从专利US5105519中可知，在持续地进行紧固操作的紧固操作过程中，使电机旋转停止并使其反向，从而在接合部的紧固和松开中监测扭矩。通过在紧固和松开过程中比较扭矩与角度的相关性，可以确定接合部中的摩擦力并且朝着目标值进行紧固，该目标值与应用至接合部的扭矩对应，而不是与施加扭矩对应。然而，在专利US5105519中所公开的方法仅适用于这样的固定工具：其并没有对结构可以承受多少反作用扭矩进行限定，并且完成具体紧固操作的时间并不是非常重要的。

然而，对于手持动力工具而言，无论是从施加在操作者上的反作用力要尽可能小的方面还是从完成具体的紧固操作所花费的时间要尽可能少的方面，都是非常重要的。操作者在工作周期中可能会进行数百次的紧固操作，因此对于操作者的良好的人机工程学和快速的工作效率而言，这两者都是非常重要的。符合人机工程学的紧固操作通常都意味着反作用扭矩要尽可能的小。

因此，这就需要这样一种适用于传递扭矩的脉冲工具，其中可以对应用扭矩进行控制并且可以快速地执行紧固操作并且具有较高的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供这样一种扭矩传递脉冲工具，其可以对应用的扭矩进行控制并且利用该工具可以快速地执行紧固操作并且具有较高的可靠性。

上述目的可以通过根据本发明的第一方面的电动脉冲工具来获得，所述电动脉冲工具用于执行紧固操作，其中，扭矩以脉冲的形式传递，以紧固螺纹接合部，所述脉冲工具包括：双向电机，输出轴，用于监测反映所传递的扭矩脉冲的参数的传感器，以及用于控制所述电机的控制单元，其中，所述传感器设置为向控制单元提供关于所监测到的参数的信息。所述控制单元设置为，在利用电动脉冲工具在第一方向上执行紧固操作过程中，控制电机用以在与所述第一方向相反的第二方向上提供至少一个扭矩脉冲。

根据本发明的第二方面，本发明涉及一种利用电动脉冲工具紧固螺纹接合部的方法，该方法包括如下步骤：

-在第一方向上对所述脉冲工具的输出轴施以脉冲，从而紧固接合部，

-监测反映了在第一方向上所传递的扭矩脉冲的参数。该方法进一步包括：在与所述第一方向相反的第二方向上对所述输出轴施以脉冲，以及监测反映了在所述第二方向上所传递的扭矩脉冲的参数。

根据本发明的第一方面和第二方面，凭借容易实现并且不会使紧固操作减慢的操作步骤，可以获得改善的可靠性。实际上，与普通脉冲方法相比，紧固操作将会更加迅速，其中当扭矩接近目标扭矩时，扭矩增量通常会减小。根据本发明，在第二方向上的一个或多个扭矩脉冲提供关于实际施加到接合部中的扭矩的信息，从而可以调整扭矩增量，使得扭矩尽可能接近目标扭矩，而不需要减少扭矩增量。同时，可以估计夹持力，使得扭矩增量可以适应特定的目标夹持力，而不是目标扭矩。

根据所附权利要求、附图以及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更加清楚。

附图说明

将参照附图在下文中进行详细说明，在这些附图中：

图1为根据本发明的具体实施方案的脉冲工具的示意图；

图2为所传递的扭矩随着操作时间变化的示意图；以及

图3为应用至接合部中的夹持力随着操作时间变化的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的具体实施方案的电动脉冲工具10。该种脉冲工具10配置为执行紧固操作，其中扭矩以脉冲形式传递，用以紧固螺纹接合部。为此，所述脉冲工具包括双向电机11，该双向电机11设置为在两个相反的旋转方向上(即，顺时针方向和逆时针方向)传递扭矩。

所述电动脉冲工具10进一步包括手柄22，在所示出的实施方案中，该手柄22为枪把类型。但是，本发明旨在覆盖任意类型的手持脉冲工具。供电单元24(例如电池)可以设置在手柄的下部，扳柄启动装置23设置为用于操作者的操作，从而对电机11供电。所述供电单元也可以连接至电缆。

此外，所述脉冲工具包括输出轴12和传感器14，15，25，所述传感器14，15，25用于监测反映了所传递的扭矩脉冲的参数。所述传感器可以为扭矩传感器、角度传感器、加速度计、陀螺仪等等。在所示出的实施方案中，由角度传感器组成的第一传感器14，15利用旋转传感器部件14和静态传感器部件15来监测输入轴17的旋转。为扭矩传感器形式的第二传感器25设置在输出轴12上。本发明需要角度传感器或者扭矩传感器，但并不都需要角度传感器和扭矩传感器两者。但是，也可以同时设置这两种传感器以提高精度或者冗余度。

所示出的实施方案进一步包括脉冲单元13，该脉冲单元13包括容纳有活塞致动转子19的惯性本体18。所述惯性本体18刚性连接至输入轴17并且由电机11的转子20驱动。在实施方案中所示出的转子20同轴地设置在电机11的定子21内部。在惯性本体18的内部中的凸轮表面(未示出)与活塞相互作用时生成脉冲，从而以本领域中公知的常规方式来驱动转子19旋转。

但是，本发明并不限于具有脉冲单元的脉冲工具。通过对脉冲工具的电机的输出施以脉冲，也可以利用在电机与输出轴之间的直接连接而在脉冲工具中产生脉冲。本发明还覆盖了这种脉冲工具以及通常被称为冲击扳手的冲击脉冲工具。

对于包括有脉冲单元的脉冲工具，角度传感器14，15可以设置为监测惯性本体19的旋转和延迟。这种延迟可以被用于计算用于应用至接合部中的扭矩。所述扭矩传感器25设置为直接地测量扭矩。为了监测所传递的扭矩，扭矩测量仪设置在输出轴12上并且尽可能地靠近接合部。

控制单元16设置为控制所述电机11。所述传感器14，15，25设置为向控制单元16提供关于所监测到的参数的信息。这在受控的紧固操作中是常规方式，其中，朝着具体的目标值(例如目标扭矩、目标角度或目标夹持力)来对紧固进行控制。

在本发明的脉冲工具10中，所述控制单元16设置为，在通过电动脉冲工具10在第一方向上执行紧固操作的过程中，对电机11进行控制，用以在与第一方向相反的第二方向上提供至少一个扭矩脉冲。这将在图2和图3中进行说明。在图2中，在紧固操作过程中所传递的扭矩T示出为随着时间t变化，而在图3中，在相同的紧固操作过程中所应用的夹持力F示出为随着时间t变化。

所述紧固操作示出为包括四个阶段A-D。典型的，所示出的紧固操作为将紧固件(例如螺钉)紧固至接合部中。在第一阶段A中，传递恒定的扭矩的扭矩脉冲，从而将紧固件拧入到螺纹中，而不需要将任何夹持力施加到接合部中。在该阶段中，扭矩仅需要克服螺纹中的摩擦力。除了克服摩擦力所需的扭矩外，所传递的扭矩还将对紧固件加速。

在阶段B中，螺钉的头部到达接合部处，并且随着紧固件中的应力的增加，对于每一个传递扭矩脉冲，要逐步地将额外的夹持力施加到接合部中。在该阶段中，扭矩随着紧固件的旋转角度而大致上成线性地增加，这是因为扭矩随着时间t以脉冲的形式逐步地传递。在阶段B中，对于持续非常短的时间周期(既几毫秒)的每一个脉冲来说，实现了夹持力大致恒定的增加。

在阶段C中，在与阶段B中的脉冲旋转方向相反的方向上提供一个或多个扭矩脉冲。如在现有技术中所已知的，在特定的角度间隔上的松开扭矩可以用于确定接合部中的摩擦力，并且用于推导已经应用至接合部中的扭矩。这些信息可以由控制单元16立即处理，从而提高了紧固的精度。作为一个示例，可以推导出已经应用至接合部中的夹持力。如在图2和图3中所各自示出的，在阶段C中所传递的扭矩T是负向的，因此在阶段C中，应用至接合部中的夹持力F减少。

在阶段D中，紧固操作朝着具体的目标值(例如目标扭矩、目标角度或目标夹持力)来完成。目标可以高于或低于在阶段A至阶段C中完成的扭矩，但在大多数情况下所述目标会更高，从而使得接合部将需要进一步的紧固。与常规紧固操作不同的是，由于在阶段C中相反方向的脉冲，控制单元在该点处得到更多的关于接合部的特性和状态的信息。这些额外的信息可以从相反方向上的一个单独的脉冲中获取。

优选地，所述传感器14，15(其设置成用以监测反映了在第一方向上传递的扭矩脉冲的参数)也可以监测反映了在第二方向上传递的扭矩脉冲的参数。这很容易由如图1所示的量角器来实现。所述量角器14，15可以配置为监测两个方向上的旋转并且推导脉冲单元13或者输出轴12在两个方向上的延迟。

当然，在传感器为扭矩测量仪的实施方案中，扭矩测量仪也可以配置为监测两个方向上的扭矩。该扭矩通常被设置为监测绝对扭矩，也就是说，没有扭矩所作用的方向的信息。但是，所述控制单元16根据其控制的电机11的旋转方向，将扭矩设置成负的或正的扭矩。

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。但是发明并不限于上述实施方案。对于本领域技术人员显而易见的是，在由所附权利要求进行限定的保护范围内，本发明还将包含其他的实施方案。

Claims (6)

1.一种电动脉冲工具(10)，其用于执行紧固操作，其中，扭矩以脉冲的形式传递，用以紧固螺纹接合部，所述脉冲工具包括：

-双向电机(11)，

-输出轴(12)，

-传感器(14，15，25)，其用于监测反映了所传递的扭矩脉冲的参数，以及

-控制单元(16)，其用于控制所述电机(11)，其中，所述传感器(14，15，25)设置为向控制单元(16)提供关于所监测的参数的信息，其特征在于，所述控制单元(16)设置为，在利用所述电动脉冲工具(10)在第一方向上执行紧固操作的过程中，对电机控制以在与所述第一方向相反的第二方向上提供至少一个扭矩脉冲。

2.根据权利要求1所述的电动脉冲工具(10)，其中，所述传感器(14，15，25)设置为还监测反映了在第二方向上所传递的扭矩脉冲的参数。

3.根据权利要求1或2所述的电动脉冲工具(10)，其中，所述传感器(25)为扭矩传感器。

4.根据权利要求1或2所述的电动脉冲工具(10)，其中，所述脉冲工具(10)包括脉冲单元(13)，该脉冲单元将电机(11)间歇性地连接至所述输出轴(12)。

5.根据权利要求4所述的电动脉冲工具(10)，其中，所述传感器(14，15)为量角器，其用于监测所述脉冲单元(13)的惯性本体(18)的旋转和延迟。

6.一种利用电动脉冲工具来紧固螺纹接合部的方法，该方法包括如下步骤：

-在第一方向上对脉冲工具的输出轴施以脉冲，从而紧固接合部，

-监测反映了在第一方向上所传递的扭矩脉冲的参数，其特征在于，在与所述第一方向相反的第二方向上对所述输出轴施以脉冲，并监测反映了在所述第二方向上所传递的扭矩脉冲的参数。