CN108188968B - 一种电动冲击扳手及其装配力矩的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动冲击扳手及其装配力矩的控制方法。电动冲击扳手包括扳手输出轴、扳手电机和扭矩控制系统，扳手电机设置有供电电源，且扳手电机带动扳手输出轴旋转以紧固螺栓；扭矩控制系统包括：传感器、输入模块及单片机；单片机分别与传感器、扳手电机及输入模块电性连接；单片机内置控制程序，且单片机内置扳手电机的功率‑扭矩的转换模型，转换模型用于将输入的功率、打击次数转换为对应的目标扭矩值；控制程序用于根据传感器检测的工作信号推算实时扭矩值，在等于预设的落座扭矩值之后，开始计数打击次数直至输入的打击次数，停止打击。本发明在紧固螺栓时，通过两阶段控制方式，实现无级调控，达到更好的装配力矩控制精度。

Description

一种电动冲击扳手及其装配力矩的控制方法

技术领域

本发明属于电动扳手技术领域，更具体的，是一种电动冲击扳手及其装配力矩的控制方法。

背景技术

冲击式电功扳手由于重量轻、力矩大、工效高、反力矩小、能耗低、价格便宜等优点，已成为大量螺纹装配的重要生产工具。然而，它的装配力矩由操作者通过对套筒转动的观察、对冲击声音变化的感受和对握持扳手的手感来判断是否已达到要求的力矩，当操作者认为可以了，就停机，装配力矩完全决定于操作者的主观意志和经验。据报道，有经验的操作者，其装配力矩精度可控制在士20％以内(即同批螺纹件和工件装配后的力矩分散性)。如果操作者缺乏经验或者心不在焉，那么装配力矩就无精度可谈，有的可把螺纹件扭断，有的没有扭紧螺纹件。随着我国产品的升级、技术水平的提高，使企业越来越注意装配质量对产品总体质量、可靠性和安全性的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动冲击扳手，在紧固螺栓时，通过单片机控制系统，利用设定的功率和打击次数及内置的功率-扭矩转换模型所对应的扭矩值，达到落座扭矩后，再通过计数控制，直到达到预设的扭矩值和打击次数，通过两种控制方式，能够实现无极调控，达到更好的控制精度。

为了完成上述目的，本发明公开了一种电动冲击扳手，包括：扳手输出轴、扳手电机和扭矩控制系统，其中，

所述扳手电机设置有供电电源，且该扳手电机带动扳手输出轴旋转以紧固

螺栓；

所述扭矩控制系统包括：

传感器，用于采集所述扳手电机的工作信号；

输入模块，用于输入功率、打击次数；

单片机，分别与传感器、扳手电机及输入模块电性连接；该单片机内置控制程序，且该单片机内置扳手电机的功率-扭矩的转换模型，其中，所述转换模型用于将输入模块输入的功率、打击次数转换为对应的目标扭矩值；所述控制程序用于根据扳手电机工作时传感器检测的工作信号推算实时扭矩值，并在实时扭矩值等于预设的落座扭矩值之后，开始计数打击次数直至输入的打击次数，停止打击并停止为扳手电机供电。

进一步的，所述传感器包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、次数传感器，电压传感器用于采集扳手电机的供电电源的电压信号，电流传感器用于采集所述扳手电机的工作电流信号，转速传感器用于采集扳手电机的工作转速信号，次数传感器用于计数扳手电机的打击次数。

进一步的，所述电动冲击扳手还包括机械开关，所述机械开关串联在扳手电机的供电电源回路上，且机械开关的常开触点连接在单片机上，所述机械开关用于在被按下时使扳手电机的供电电源导通，并在常开触点闭合时将机械开关按下的信号传递给单片机，以使单片机通过控制程序发出的控制指令启动MOS管驱动扳手电机由慢到快启动。

进一步的，所述电压传感器用于将收集到的供电电源的电压信号传递给单片机，单片机用于通过控制程序根据电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对扳手电机的输出扭矩进行功率补偿。

进一步的，所述电流传感器用于将收集到的扳手电机的工作电流信号传递给单片机，单片机用于根据检测到的电流值的大小区分扳手电机的做功区间。

一种电动冲击扳手的装配力矩的控制方法，包括以下步骤：

S1，通过输入模块设定功率和打击次数，通过电动冲击扳手的单片机内置的扳手电机的功率-扭矩的转换模型，转换输出目标扭矩值；

S2，启动扳手电机，带动扳手输出轴旋转输出扭矩，并带动紧固螺栓；

S3，传感器检测该扳手电机的工作信号传递给单片机，单片机通过内置的控制程序推算实时扭矩值，并与预设的落座扭矩比较，直至实时扭矩值达到所述落座扭矩；

S4，单片机控制控制程序切换至打击次数计数控制，开始计数电动冲击扳手的打击次数；

S5，直至打击次数达到设定的打击次数，控制程序控制扳手电机停止打击，并停止为扳手电机供电。

进一步的，所述传感器包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、次数传感器，电压传感器采集扳手电机的供电电源的电压信号，电流传感器采集所述扳手电机的工作电流信号，转速传感器采集扳手电机的工作转速信号，次数传感器计数扳手电机的打击次数。

进一步的，所述电压传感器将收集到的供电电源的电压信号传递给单片机，单片机通过控制程序根据电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对扳手电机的输出扭矩进行功率补偿。

进一步的，所述电流传感器将收集到的扳手电机的工作电流信号传递给单片机，单片机根据检测到的电流值的大小区分扳手电机的做功区间。

本申请的技术效果在于：电动冲击扳手在紧固螺栓时，通过单片机控制系统，预设功率值和打击次数值，利用内置的功率-扭矩转换模型，转换出所对应的扭矩值，达到落座扭矩后，再通过计数控制，直到达到预设的扭矩值和打击次数，通过两种控制方式，能够实现无极调控，达到更好的控制精度。

附图说明

图1为螺纹件扭转特性示意图。

图2为冲击扳手紧固螺栓过程扭矩-时间示意图。

图3为本发明实施例的电动冲击扳手的结构框图。

图4为本发明控制流程图。

图1中：M扭矩，ω扭转角；

图2中：M扭矩，M₁落座扭矩，M₂终止扭矩，T时间；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

定扭矩冲击式电动扳手通常都是通过控制扭矩值，实现对螺栓紧固过程的控制。冲击扳手通过扳手电机等带动冲击机构的主动部分，再经变速机构带动从动部分，而使螺母旋转而拧进螺杆走完空程部分(此时螺母仅与螺纹接触，未与垫片或螺杆顶端接触)，在某处螺母端面与工件表面接触，力矩对转角的斜率剧增。更具体的描述，如图1，冲击扳手通过电机(和减速器)而带动冲击机构(以滚珠螺旋槽冲击机构为例)的主动部份(主动轴、主压力弹簧和主动冲击块)，再经牙嵌的啮合带动从动部份，而使螺母旋转而拧进螺杆走完空程OA部份，在A处螺母端面与工件表面接触，力矩对扭转角的斜率(螺纹装配系统的刚度)剧增。

当M＝Mο'＝1/2*CXod tanα (1)

主动冲击块开始克服主压力弹簧的初压力而作轴向移动。

当M＝Mο＝1/2*Cd tanα(Xo+h) (2)

式中M---转矩

Mο---开始计数扭矩

Mο'---初始扭矩

C---主压力弹簧的刚度

Xo---冲击机构装配后主压力弹簧的初压缩量

h---装配后牙嵌的啮合高度

d---螺旋槽中径

主动冲击块的轴向位移使它与从动冲击块的牙嵌脱离接触。在此之后将产生冲击，以此判定螺栓达到落座状态。

如图2所示，螺栓在紧固过程中，根据螺母与垫片或螺杆顶端是否接触，分为三个阶段。初始阶段，如OA段，螺母在扳手的主动冲击部分的带动下开始转动，此时螺母仅与螺纹接触，未与垫片或螺杆顶端接触。此时螺栓紧固过程中负荷较小，相对应的扭矩随拧紧时间变化的斜率较小。当螺母与垫片或螺杆顶端开始接触，如A点，此时螺栓紧固过程中负荷急剧增大，相对应的扭矩随拧紧时间变化的斜率急速变大，此状态称为落座状态，此落座状态对应的扭矩值称为落座扭矩，主动冲击部分开始克服垫片或螺杆顶端的初压力，在此之后将产生冲击。达到落座状态之后，如AB段，随着螺母与垫片或螺杆顶端接触不断紧密，反向作用力不断增加，使得继续冲击的效果逐渐减小。

由于装配力矩是由每次冲击所得的力矩增量积累而成，故有些资料称之为积累力矩，它的外接包络线具有类似指数曲线的形态，这种形态的特性，已经被实际试验所证明。实际上，经过足够多次冲击，则对应的经济效果相对足够小，而趋于零，曲线呈饱和状，这时每次冲击中主动冲击块反弹的能量加上电机做的功的总能量几乎完全转化为碰撞的能量损耗、反弹能量和弹性变形能，而拧紧螺母所做的功约等于零。试验证明，对不同的螺纹装配系统取得饱和状态所需的冲击次数，大约在几十次至几百次。

同一台冲击扳手装配大规格螺纹件、热处理过的合金钢螺纹件、工件平整无弹性衬垫时，等效刚度大。反之，装配小规格螺纹件、低碳钢螺纹件、工件有翘曲及有弹性衬垫(如铜箔包封石棉的密封垫)时，等效刚度小。

但对于已制造好的电动冲击扳手来说，要改变扳手的固有结构来调节力矩只能更换零件，十分不便。

对于目前的电动冲击扳手来说，其紧固螺栓的速度比较快，达到又快有精准的控制相对不易。通过改变主动轴角速度，可以很有效改变每次冲击的能量，对于制造好的产品来说，改变齿轮速比是困难的，但改变电机转速是方便的，使用可控硅作相控调压进行调速非常简单，并且是连续的。

电动冲击扳手的电流、电压、转速、扳手本身参数等对其输出扭矩的特性都有影响。在电动冲击扳手制作完成后，扳手本身参数即为确定的，对不同状况下的电流、电压、转速对其电机功率构成共同的影响，共同体现在输出扭矩上，因此对电流、电压和转速对其的影响整定为功率。

电机扭矩：T＝9550*P/n

其中，T-扭矩N.M，P-为功率kW，n-为转速r/min

由上式可知，输出转矩与转速成反比。

电机功率：

其中，P-为功率kW，U-为电压V，I-为电流A

由上式可知，输出转矩与电流、电压成正比。

电动机的功率：P1：P＝P/(n1*n2)

其中，P-为计算功率KW，n1-为生产机械的效率；n2-为电动机的效率，即传动效率

由上式可知，电动机的功率与其本身参数有关。

由于输出转矩与转速成反比，输出转矩与电流、电压成正比，因此采用功率，该功率由电流、电压、转速的不同控制组合，既可以形成一个连续的功率-转矩的关系模型。通过对功率的设定即可使电机的输出扭矩变化。

但是仅控制这些电参数，由于速度较快，无法做到扭矩值非常精准，且电机功率范围有限，为了达到较大的扭矩值，则采用多次打击，累计扭矩，从而达到一定的预设扭矩。通过对冲击次数的计数和整定，令整定值达到预设定目标值时切断电源停止扳手工作，这将得到精度很高的恒定扭矩控制。

我们用冲击次数整定控制法，对不同规格的电扳手、不同规格的螺纹件、不同整定时间下的装配力矩进行过大量试验，现把部分数据整理，经过标定的功率和打击次数对应的扭矩值，并预存在单片机控制系统中，利用单片机控制系统，避免人为的“精度控制”。另一方面力矩增长慢、最后的极限力矩低，对于同一台扳手用于小规格螺纹件时就不容易损坏螺纹件，这样也达到扩大该规格扳手使用范围的目的。

本实施例公开了一种电动冲击扳手。电动冲击扳手的扳手电机设置有供电电源，电源控制模块控制对扳手电动机和单片机供电。扳手电机经变速机构带动扳手输出轴旋转紧固螺栓。电动冲击扳手的机械开关与扳手电机连接，用于控制扳手电机的电源通断，机械开关设置有就地开关，同时也可通过控制系统对其进行控制。在本实施例中，机械开关串联在扳手电机的电源回路上，且机械开关的常开触点连接在单片机上，当按下机械开关时扳手电机的电源导通，常开触点闭合将机械开关按下的信号传递给单片机，单片机通过控制程序发出的控制指令，此时，单片机启动MOS管驱动扳手电机由慢到快启动。电动冲击扳手设有传感器包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、次数传感器等，电压传感器用于采集扳手电机的电源电压信号，电流传感器用于采集扳手电机的工作电流信号，转速传感器用于采集扳手电机的工作转速信号，次数传感器用于计数扳手打击次数，各传感器检测到的工作信号实时传递给单片机中的控制系统。电动冲击扳手还设有一个输入模块，包括用于输入预设功率值的功率调节单元，用于输入预设打击次数值的打击次数设定单元，用于将经过标定的功率和打击次数对应的扭矩值预存在单片机控制系统中标定设置单元，输入模块有设定按钮、加按钮、减按钮、确定按钮等。电动冲击扳手还设有一个用于显示工作信号值和工作状态信息的显示模块，优选液晶触摸显示屏。

电动冲击扳手的单片机部分，作为其控制的核心部分，分别与传感器、机械开关、输入模块及显示模块等电性连接；该单片机内置控制程序，且该单片机内置扳手电机的功率-扭矩的转换模型。其中，所述转换模型用于将输入模块输入的功率、打击次数转换为对应的目标扭矩值；所述控制程序用于根据传感器检测的工作信号推算实时扭矩值，并在实时扭矩值等于预设的落座扭矩值之后，开始计数打击次数直至实时扭矩值达到目标扭矩值，停止打击并停止为扳手电机供电。

在使用过程中，

第一步，通过输入模块设定功率值和打击次数，通过单片机内置的扳手电机的功率-扭矩的转换模型，即可转换输出一个对应的目标扭矩值。

第二步，通过手动开启机械开关，或经该单片机通过内置的控制程序控制机械开关接通，使供电电源为扳手电机供电，以使扳手电机经变速机构带动扳手输出轴旋转输出扭矩，并带动紧固螺栓。

第三步，各传感器检测该扳手电机的工作信号传递给单片机，通过单片机内置的控制程序推算实时扭矩值，并与预设的落座扭矩比较。

第四步，达到落座扭矩后，开始计数打击次数直至扭矩值达到预设的扭矩值时，此时完成预定打击次数，停止打击；且通过内置的控制程序能够控制机械开关断开，或通过手动开闭机械开关，使供电电源停止为扳手电机供电。

采用本实施例的电动冲击扳手，其工作时首先按照进行传统的根据扭矩的拧紧作业，达到落座扭矩后，即切换至打击次数计数控制，直至设定打击次数完成，停止打击。

在本发明实施过程中，机械开关串联在扳手电机的电源回路上，且机械开关的常开触点连接在单片机上，当按下机械开关时扳手电机的电源导通，常开触点闭合将机械开关按下的信号传递给单片机，单片机通过控制程序发出的控制指令，此时，单片机启动MOS管驱动扳手电机由慢到快启动。

在本发明实施过程中，电压传感器将收集到的电源的电压信号传递给单片机，单片机通过控制程序根据电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而，对扳手电机的输出扭矩进行功率补偿。

在本发明实施过程中，转速传感器检测扳手电机的转速，该转速可以用扳手电机转一圈所用的时间表示，并通过扳手机械部分的变化常数以及扳手电机的下降与反作用力的扭矩线性关系，转换成实时扭矩。

在本发明实施过程中，电流传感器将收集到的扳手电机的工作电流信号传递给单片机，单片机根据检测到的电流值的大小区分扳手电机的做功区间。单片机通过检测电机输出电流值做电流闭环控制，实现恒力矩输出。对于电机，正常工作条件下通过其中的电流与其输出的功率成正比。本发明通过单片机实时监测电机电流大小，并换算成扳手电机功率，之后根据监测到的电流大小来区分扳手电机的功率输出值，这样能实时知道每次打击所产生的功，功的累积就是被打击的螺纹副上累积的扭矩。这对监测扭矩变化和最终值有重要意义。并且利用扳手电机转速下降与紧固螺栓的扭矩呈线性关系来反映扭矩，也就是经电流检测后划分做功区间，利用转速来控制其精确度。利用转速传感器检测扳手电机的转速，该转速可以用扳手电机转一圈所用的时间表示，并通过机械部分的变化常数以及扳手电机的下降与反作用力的扭矩线性关系，将影响扭矩的电流、电压、转速整定为一个功率，利用控制功率，即可通过整定的功率-扭矩关系模型，转换成实时扭矩。其具体的比较方式及转换技术可与现有的电流控制式电动扳手的技术相同，在电动冲击扳手的较佳工作区域内，扭矩曲线与转速曲线函数关系的线性很好，且其转换常数基本恒定，再加上次数传感器，该技术方法能满足紧固扭矩值的无级输出要求。如图4所示，本申请还提供了电动冲击扳手的装配力矩的控制方法，包括以下步骤。

S1，通过输入模块设定一个功率和一个打击次数，通过单片机内置的扳手电机的功率-扭矩的转换模型，转换输出一个目标扭矩值。

S2，按下机械开关，机械开关的常开触点闭合信号传递给单片机，该单片机通过内置的控制程序发出控制指令，使供电电源为扳手电机供电，启动扳手电机，以使扳手电机经变速机构带动扳手输出轴旋转输出扭矩，并带动紧固螺栓。

S3，传感器检测该扳手电机的工作信号传递给单片机，单片机通过内置的控制程序推算实时扭矩值，并与预设的落座扭矩比较，直至实时扭矩值达到落座扭矩。在本发明实施过程中，电压传感器采集扳手电机的电源电压信号，电流传感器采集扳手电机的工作电流信号，转速传感器采集扳手电机的工作转速信号，各传感器检测到的工作信号实时传递给单片机中的控制系统，控制系统如前所述的电机扭矩与转速和电机功率的计算公式，以及电机功率与电压、电流的计算公式，实时推算出扳手电机的扭矩值，直至达到落座扭矩。

S4，达到落座扭矩后，单片机控制控制程序切换至打击次数计数控制，开始计数电动冲击扳手的打击次数；

S5，直至打击次数达到设定的打击次数，控制程序控制扳手电机停止打击，并停止为扳手电机供电。

采用本实施例的电动冲击扳手，其工作时首先按照进行传统的根据扭矩的拧紧作业，达到落座扭矩后，即切换至打击次数计数控制，直至设定打击次数完成，停止打击。

将影响扭矩的电流、电压、转速整定为一个功率指标，利用控制功率，即可通过整定的功率-扭矩关系模型，转换成实时扭矩。

液晶显示屏实时显示螺栓紧固的扭矩值，至螺栓紧固为止，此时液晶显示屏上显示的扭矩值为螺栓紧固的扭矩值。

通过本实施例，扳手打击结果无级可调、电源、电机智能控制、扳手工作结果自动保存的功能(设有工业接口，能够与外部打印、传输、保存设备相连，具有打印、传输、保存功能)，扭矩输出精度控制在≤±10％，通过本发明的技术方案，比单纯的电流分量控制方法稳定性好，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，再加上打击次数传感器计数控制，完全能做到扳手扭矩的无级精准紧固螺纹件。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种电动冲击扳手，其特征在于，包括：扳手输出轴、扳手电机、扭矩控制系统和机械开关，其中，

所述扳手电机设置有供电电源，且该扳手电机带动扳手输出轴旋转以紧固螺栓；

所述扭矩控制系统包括：

传感器，用于采集所述扳手电机的工作信号；

输入模块，用于输入功率、打击次数；

单片机，分别与传感器、扳手电机及输入模块电性连接；该单片机内置控制程序，且该单片机内置扳手电机的功率-扭矩的转换模型，其中，所述转换模型用于将输入模块输入的功率、打击次数转换为对应的目标扭矩值；所述控制程序用于根据扳手电机工作时传感器检测的工作信号推算实时扭矩值，并在实时扭矩值等于预设的落座扭矩值之后，开始计数打击次数直至输入的打击次数，停止打击并停止为扳手电机供电；

所述传感器包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、次数传感器，电压传感器用于采集扳手电机的供电电源的电压信号，电流传感器用于采集所述扳手电机的工作电流信号，转速传感器用于采集扳手电机的工作转速信号，次数传感器用于计数扳手电机的打击次数；

所述机械开关串联在扳手电机的供电电源回路上，且机械开关的常开触点连接在单片机上，所述机械开关用于在被按下时使扳手电机的供电电源导通，并在常开触点闭合时将机械开关按下的信号传递给单片机，以使单片机通过控制程序发出的控制指令启动MOS管驱动扳手电机由慢到快启动。

2.根据权利要求1所述的一种电动冲击扳手，其特征在于，所述电压传感器用于将收集到的供电电源的电压信号传递给单片机，单片机用于通过控制程序根据电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对扳手电机的输出扭矩进行功率补偿。

3.根据权利要求1所述的一种电动冲击扳手，其特征在于，所述电流传感器用于将收集到的扳手电机的工作电流信号传递给单片机，单片机用于根据检测到的电流值的大小区分扳手电机的做功区间。

4.一种根据权利要求1-3任一所述的电动冲击扳手的装配力矩的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，通过输入模块设定功率和打击次数，通过电动冲击扳手的单片机内置的扳手电机的功率-扭矩的转换模型，转换输出目标扭矩值；

S2，启动扳手电机，带动扳手输出轴旋转输出扭矩，并带动紧固螺栓；

S3，传感器检测该扳手电机的工作信号传递给单片机，单片机通过内置的控制程序推算实时扭矩值，并与预设的落座扭矩比较，直至实时扭矩值达到所述落座扭矩；

S4，单片机控制控制程序切换至打击次数计数控制，开始计数电动冲击扳手的打击次数；

S5，直至打击次数达到设定的打击次数，控制程序控制扳手电机停止打击，并停止为扳手电机供电。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述传感器包括电压传感器、电流传感器、转速传感器、次数传感器，电压传感器采集扳手电机的供电电源的电压信号，电流传感器采集所述扳手电机的工作电流信号，转速传感器采集扳手电机的工作转速信号，次数传感器计数扳手电机的打击次数。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述电压传感器将收集到的供电电源的电压信号传递给单片机，单片机通过控制程序根据电压信号与额定电压的差值计算所需的功率差值，进而对扳手电机的输出扭矩进行功率补偿。

7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述电流传感器将收集到的扳手电机的工作电流信号传递给单片机，单片机根据检测到的电流值的大小区分扳手电机的做功区间。