CN109311143B - 电脉冲工具 - Google Patents

Abstract

本发明尤其描述一种电动工具，其包括适于驱动所述电动工具的旋转轴的电动机。所述电动机适于被馈送脉冲式电流，其中所述脉冲式电流包括第一方向上的主电流脉冲(A)，其在第一方向上驱动所述电动工具的所述旋转轴；且适于在所述主电流脉冲之后在与所述第一方向相反的方向提供电流(C)以使所述电动工具撤回。

Description

电脉冲工具

技术领域

本发明涉及一种脉冲式电动工具。具体地说，本发明涉及一种用于执行紧固操作的电动工具，其中以脉冲传递扭矩以例如紧固和/或松开螺旋接合件。

背景技术

用于紧固螺栓、螺钉和螺母的动力辅助工具在广泛的应用领域中使用。在那些应用中的一些应用中，期望或甚至要求能够控制夹持力或至少相关联扭矩。此类动力辅助工具通常受控以使工具的轴旋转，使得扭矩被测量，且当扭矩达到预定值时，电动工具受控以停止轴旋转。这可例如通过切断工具的动力或可滑动联轴器来实现。

当操作动力辅助工具、特别是具有旋转轴的手持动力工具时遇到的问题是，操作者会承受反作用力。减小传递到操作者的反作用力的一种方式是使用脉冲式电动机，所述脉冲电动机被馈送一系列以脉冲方式驱动电动机的能量脉冲。能量可以通常供应为电流脉冲。由此，操作者需要应对的反作用力可减小。

第6,680,595号美国专利描述了一种用于紧固螺钉的控制方法和紧固设备。所述紧固设备受控以输出脉冲式增大扭矩。确定实际扭矩，且当实际扭矩达到目标值时停止电动机。通过向紧固设备的电动机馈送脉冲式增大电流来产生脉冲式增大扭矩。

另外，第7,770,658号美国专利描述了一种用于紧固螺钉的控制方法和紧固设备。确定实际扭矩，且当实际扭矩达到目标值时停止电动机。此外，当实际扭矩达到设定值时，紧固设备传递的扭矩减小。通过向紧固设备的电动机馈送脉冲式电流来产生脉冲式扭矩。

一直需要改进动力辅助紧固工具的操作。例如，传递给操作者的反作用力应尽可能小以改善操作者的工作条件。同时，紧固过程应是快速的，且所得最终扭矩的变化应该较小，以保证紧固过程的最终结果在设定值内。

因此，需要一种改进的脉冲式紧固方法和设备以用于脉冲式电动工具。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的脉冲式电动工具以及用于控制其操作的方法。

此目的通过所附权利要求中阐述的方法和装置来实现。

根据一个实施方案，提供一种电动工具，其包括适于驱动电动工具的旋转轴的电动机。所述电动机适于被馈送脉冲式电流，其中所述脉冲式电流包括：第一方向上的主电流脉冲，其在第一方向上驱动电动工具的旋转轴；以及在所述主电流脉冲之后在与所述第一方向相反的方向上的电流，以使电动工具撤回。由此，实现使工具在相继的紧固脉冲之间撤回以便改进人体工程学。相反的方向上的电流可提供为电流控制的电流脉冲，或可替代地以例如间接控制电流脉冲的电流等某一其它方式提供。间接提供所述电流的一种方式是在提供到脉冲式电动工具的相继紧固脉冲之间的(至少一部分)时间间隔期间在反向方向上控制电动机转速。

根据一个实施方案，在相反的方向上的所述电流之前的脉冲式电流包括第一预脉冲电流脉冲，其中第一预脉冲的电流脉冲处于相同的相反方向且具有比相反的方向上的所述电流低的幅度。由此，通过将工具放置在其中减小或消除在旋转工具的轴时的游隙的位置，可减小或甚至消除后向方向上的反冲。通常，齿轮装置中的游隙可以此方式被减小或消除。

根据一个实施方案，在所述主脉冲之前的脉冲式电流包括第二预脉冲电流脉冲，其中所述第二预脉冲的电流脉冲的方向与主电流脉冲相同，而幅度低于所述主电流脉冲。由此，通过将工具放置在其中减小或消除在旋转工具的轴时的游隙的位置，可减小或甚至消除前向方向上的反冲。通常，齿轮装置中的游隙可以此方式被减小或消除。

根据一个实施方案，所述电动工具包括用于感测在由所述电动工具执行的紧固操作期间提供的实际扭矩的扭矩传感器。由此，有可能提供对紧固操作的改进控制，且还有可能改进在撤回工具时对相反的方向上的电流的控制。

根据一个实施方案，电动工具的电动机通过齿轮装置连接到旋转轴。

本发明还涉及一种用于控制电动工具的控制方法。根据一个实施方案，提供一种控制供应到电动工具的电动机的电流的方法。所述电动工具包括由所述电动机驱动的旋转轴。所述控制方法包括：提供脉冲式电流，所述脉冲式电流包括在第一方向上的主电流脉冲，其在第一方向上驱动电动工具的旋转轴以将扭矩添加到接合件；以及在所述主电流脉冲之后在与所述第一方向相反的方向上提供电流，以使电动工具撤回。相反的方向上的电流可提供为电流脉冲，或可替代地以例如间接的某一其它方式提供。间接提供所述电流的一种方式是在提供到脉冲式电动工具的相继紧固脉冲之间的(至少一部分)时间间隔期间在反向方向上控制电动机转速。

根据一个实施方案，选择相反的方向上的电流脉冲的幅度以免使所述接合件松开。根据一个实施方案，相反的方向上的电流脉冲的幅度与所述主电流脉冲的幅度相关。根据一个实施方案，相反的方向上的电流脉冲的幅度与主电流脉冲的幅度线性相关。根据一个实施方案，相反的方向上的电流脉冲的幅度是主电流脉冲的幅度的5-50％。根据一个实施方案，相反的方向上的电流脉冲包括斜变前沿。根据一个实施方案，所述斜变前沿线性地斜变。

根据一个实施方案，在相反的方向上的电流之前提供第一预脉冲电流脉冲。第一预脉冲的电流脉冲处于与相反的方向上的电流相同的方向，其幅度比相反的方向上的电流脉冲低。根据一个实施方案，应用第一预脉冲，直到达到所测量的应用于接合件的扭矩的预设阈值。

根据一个实施方案，在所述主脉冲之前提供第二预脉冲电流脉冲。所述第二预脉冲的电流脉冲与主电流脉冲处于相同的方向，即，通常是紧固方向，而幅度比所述主电流脉冲低。根据一个实施方案，应用第二预脉冲，直到达到所测量的应用于接合件的扭矩的预设阈值。

根据一个实施方案，提供一种控制供应到电动工具的电动机的电流的方法。所述电动工具包括由所述电动机驱动的旋转轴。所述控制方法包括：提供脉冲式电流，所述脉冲式电流包括在第一方向上的主电流脉冲，其在第一方向上驱动电动工具的旋转轴以将扭矩添加到接合件；以及在所述主电流脉冲之后在与所述第一方向相反的方向上提供电流，以减小电动工具中的反冲。根据一个实施方案，与第一方向相反的方向上的电流脉冲的幅度是主电流脉冲的幅度的10-20％或比其小。根据一个实施方案，提供相反的方向上的电流脉冲，直到接合件中的所测量扭矩低于阈值。

根据一个实施方案，提供一种控制供应到电动工具的电动机的电流的方法。所述电动工具包括由所述电动机驱动的旋转轴。所述控制方法包括：提供包括第一方向上的主电流脉冲的脉冲式电流，所述主电流脉冲在第一方向上驱动电动工具的旋转轴以将扭矩添加到接合件；以及在主脉冲之前提供电流脉冲，其中所述电流脉冲处于与主电流脉冲相同的方向，其幅度比所述主电流脉冲低，以消除前向反冲。根据一个实施方案，所述电流脉冲的幅度是主电流脉冲的幅度的10-20％或比其小。根据一个实施方案，提供所述电流脉冲，直到接合件中的所测量扭矩高于阈值。

本发明还涉及一种适于执行上文阐述的任一方法的动力工具，以及一种适于执行上文阐述的任一方法的控制单元。所述控制单元可在控制单元所控制的动力工具外部或内部。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，附图中：

-图1示出贯穿动力工具的纵截面，

-图2描绘在动力工具的操作中使用的电流脉冲序列的图，

-图3为示出控制动力工具时的一些步骤的流程图。

具体实施方式

当今常规动力工具(例如螺帽扳手或螺丝刀)通常具有传感器，例如角度编码器和/或扭矩计，其使得有可能控制所执行的工作操作(例如接合件的紧固)的质量。

此外，尤其对于手持式动力工具，重要的是，操作者承受的反作用力尽可能低，且结束特定紧固操作的时间尽可能短。操作者在工作周期中可能进行数百次紧固操作，因此重要的是，紧固操作对于操作者的健康来说符合人体工程学设计且对于工作站的产率来说较快速。符合人体工程学设计的紧固操作通常意味着反作用扭矩尽可能低。此外，可能有利的是消除电动工具中的反冲。反冲是归因于工具中的机械游隙且当驱动在存在游隙的情况下开始时所发生的效应。由此，电动机将通过数个互连机械组件驱动轴。所述驱动中的每个机械连接将使总游隙增加。举例来说，齿轮装置将在许多小步骤中使总游隙增加。当开始在特定方向上驱动电动机时，将因通常并非全部机械组件在驱动方向上彼此直连的这一实情而存在反冲。因此，反冲的幅度由电动机与作用于紧固装置的旋转轴之间的总游隙产生。换句话说，通常有利的是当在工具中不存在游隙且驱动所述轴的所有机械部件直接接触而无任何游隙时，开始驱动动作。

图1描绘根据本发明的实施方案的示例性电动工具10。工具10配置成执行其中以一系列脉冲传递扭矩以紧固螺旋接合件的紧固操作，或涉及由工具10执行的旋转动作的类似动作。为此目的，脉冲工具包括具有转子20和定子21的电动机11。电动机11布置成沿两个相反的旋转方向(顺时针和逆时针)旋转。

工具10进一步包括手柄22，其在所示实施方案中为手枪型。然而，本发明不限于此配置，而是可应用于任何类型的动力工具，且不限于图1的设计。电源24连接到电动机11。在所示实施方案中，电源是可布置在手柄下部中的电池。还设想其它类型的电源，例如通过电缆向工具10供电的外部电源。工具10可以进一步包括触发器23，所述触发器23布置成由操作者操控以控制电动机11的供电。在一些实施方案中，工具10连接到外部控制单元(未示出)。外部控制单元可以为工具10供应电力。控制单元还可布置成向工具10传送信号以及从工具10接收信号以控制工具。

此外，工具包括输出轴12，且任选地还可包括用于监测与工具10所执行的操作相关的一个或多个参数的不同传感器14、15、25。此类参数可通常为传递的扭矩脉冲等。传感器可例如为扭矩传感器、角度传感器、加速度计、陀螺仪等等。

有利地，本发明可应用于其中输出轴12通过齿轮装置(未示出)连接到电动机11的动力工具中。然而，本发明不限于此类型的动力工具。

扭矩传感器25可被布置成直接测量扭矩。作为替代方案，所测量的减速可用于计算置于接合件中的扭矩。根据一个实施方案，扭矩传感器25布置在输出轴12上，尽可能接近接合件，以便监测传递的扭矩。替代地，扭矩传感器25可位于齿轮装置上。

控制单元16被布置成控制电动机11。在所示实施方案中，控制单元16集成在工具10中。然而，控制单元也可位于外部单元中且通过有线或无线方式连接到工具10。传感器14、15、25通常可布置成向控制单元16提供关于所监测参数的信息。这在其中朝向目标扭矩、角度或夹力等特定目标值调节紧固动作的受控紧固操作中是常规的。

控制单元16可适于控制馈送到电动机11的电流。图2描绘作为用在动力工具(例如图1的动力工具10或包括电动机的任何其它电力驱动动力工具)的操作中的脉冲串的一部分的电流脉冲序列的图。动力工具的电动机被馈送脉冲式电流以用于在第一方向上驱动所述动力工具。为便于说明，此处假设第一方向是紧固接合件的紧固方向且所述工具通常用于在所述第一方向上操作。例如，所述动力工具可以是用于紧固螺母或螺栓等紧固装置的螺母扳手或动力扳钳。第一方向则是在紧固所述紧固装置时螺母或螺栓被驱动的方向。

在图2中，首先将电流脉冲A传递到电动工具10的电动机11。电流脉冲A具有在第一方向上驱动电动机的方向。脉冲A的幅度被设置成某个值，使得电动工具紧固或拧紧紧固装置。此类脉冲A可称为紧固脉冲。在一些应用中，紧固脉冲的持续时间可为约1ms到20ms。在一些实施方案中，供应的电流可以是动力工具的电动机所设定的最大电流或接近此类电流的电流，例如至少是电动机所设定的最大电流的50％。紧固脉冲A大体上可以是方形。紧固脉冲A的上升/下降时间可能通常较短。例如，脉冲A的上升和/或下降时间可为脉冲A的持续时间的10％或比其小。当紧固脉冲A供应到电动机时，电动机将在第一方向上被驱动，由此起作用以紧固电动工具所用来紧固的紧固装置。因此，紧固脉冲A将通常用以添加扭矩到紧固装置。

当紧固脉冲A结束时，供应到电动机的电流可设置成不在第一方向上驱动电动机的值。根据一个实施方案，电流被设置成某个值，其对应于等于或大体上等于即将应用紧固脉冲A之前的值的值。根据一个实施方案，传递到电动机的电流在脉冲A结束时被设置成零。

在又一实施方案中，紧固脉冲A后跟着脉冲B，在脉冲B期间，相对小的电流脉冲在与第一方向相反的第二方向上传递到电动机。具体地说，可在紧固脉冲A结束时就紧接着应用此类脉冲B。脉冲B的电流的幅度通常较小，具体地说，小于在脉冲A期间供应的电流的幅度。根据一些实施方案，脉冲B的幅度是紧固脉冲A的幅度的10-20％(或更低)。通过提供此类脉冲B，有可能减少电动工具中的反冲。因此，有可能消除或至少减小电动工具的操作中的反冲。反冲消除脉冲B可称为第一预脉冲B。可通常应用预脉冲B，直到施加的扭矩接近零。例如，可应用预脉冲B，直到扭矩传感器给出0Nm或低于某一预设阈值的值的输出。

为了撤回电动工具，可将脉冲A的反向方向上的脉冲C供应到电动机。脉冲C可称为撤回脉冲C。撤回脉冲C可跟在，具体地说，紧跟在紧固脉冲A之后，或如果使用第一预脉冲B，则撤回脉冲C可跟在此类第一预脉冲脉冲B之后。选择撤回脉冲C的幅度以免使电动工具用来紧固的接合件的紧固装置松开。因此，选择脉冲C的幅度以比紧固脉冲A低。根据一些实施方案，撤回脉冲C可定形为具有斜变第一区段，在此期间，反向方向上的电流连续增大到最大幅度。因此，斜变第一区段将形成撤回脉冲C的前沿。根据一个实施方案，所述电流线性地斜变。在其它实施方案中，可使用斜变电流的其它形状。根据一些实施方案，撤回脉冲C可具有约10到20ms的持续时间。此外，所述电流的绝对值可以是紧固脉冲A的电流的绝对值的约5-50％。根据一些实施方案，在撤回脉冲C期间的反向方向上的最大电流的幅度与在撤回脉冲C前面的紧固脉冲A期间传递的扭矩相关。根据一些实施方案，在紧固脉冲A期间的较高扭矩可导致在撤回脉冲C期间供应的电流的较高幅度。根据一些实施方案，在撤回脉冲C期间的反向方向上所用的最大电流设置成与紧接在撤回脉冲C前面的紧固脉冲A期间达到的扭矩成比例。

根据替代实施方案，通过在动力工具的电动机的紧固脉冲之后在反向方向上控制电动机速度来间接控制反向方向上的电流。在此类实施方案中，可通过确定在正电流脉冲之后电动机在反向方向上的反向方向最大速度来控制所述速度。接着，电动机在某个时间间隔期间速度受控。所述时间间隔可例如从确定电动机的最大反向速度的时间直到紧固方向上的下一电流脉冲被提供为止。反向方向上的速度可例如受控以基于所确定的最大反向速度。例如，反向最大速度可维持或反向速度可控制为所述时间间隔期间的最大速度的百分比。反向方向上的电动机速度的控制可用作在时间间隔期间在相反的方向上提供电流以撤回工具的间接方式。这因以下实情而成为可能：在紧固脉冲之后的反向方向上的电动机速度通常与紧固脉冲之后的扭矩成比例。

通过施加撤回力，有可能改进使用电动工具时的人体工程学。这对于手持式电动工具来说特别有用。

撤回脉冲C后可跟着前向反冲消除脉冲，此处称为第二预脉冲D，在此期间，相对小的电流在前向方向上传递到电动机。具体地说，可在撤回脉冲C结束时就紧接着应用此类脉冲D。预脉冲D的电流的幅度通常较小，具体地说，小于在脉冲C期间供应的电流的幅度。根据一些实施方案，脉冲D的幅度是撤回脉冲C的幅度的10-20％(或更低)。通过提供此类脉冲D，有可能在前向方向上提供预张力。因此，有可能在应用撤回脉冲C之后消除或至少减小电动工具的操作中的反冲。根据一个实施方案，可应用预脉冲D，直到扭矩传感器输出正值或高于某个预设阈值的值。

在上文中，不必利用所描述脉冲序列中的所有不同脉冲。例如，紧固脉冲A可由脉冲B、C和/或D的任何合适的组合补充，以便获得电动工具的高效而符合人体工程学设计的脉冲行为。根据一个特定实例，省去预脉冲D。这可具有使紧固过程变得更高效的优势。然而，电动工具上的磨损实际上可能增加。

在图3中，示出流程图，其示出根据上文的在动力工具的操作期间控制送到动力工具的电流时的一些步骤。首先，在步骤301中，提供根据上文的脉冲串。这可通过供应如上文结合图2所描述的具有主电流脉冲A且后跟着负电流脉冲C的电流脉冲串来执行。还可使用根据图2所描述的其它脉冲串。接下来，在步骤303中，确定是否满足停止准则，例如检测到的扭矩是否达到预定值。接着，在步骤305中，当满足停止准则时，停止电流脉冲串。

在上文中，供应到电动机的脉冲式能量被描述为受控脉冲式电流。然而，设想基于除电流外的某一其它参数来控制脉冲式能量。因此，除电流控制的脉冲外，如本文所使用的术语(电流)脉冲还包含其它类型的能量脉冲，例如电动机速度控制脉冲、压控脉冲等等。

Claims (17)

1.一种电动工具（10），其包括适于驱动所述电动工具（10）的旋转轴（12）的电动机（11），所述电动机（11）适于被馈送脉冲式电流，其中所述脉冲式电流包括第一方向上的主电流脉冲（A），所述主电流脉冲在第一方向上驱动所述电动工具（10）的所述旋转轴；且适于在所述主电流脉冲之后在与所述第一方向相反的方向提供电流（C）以使所述电动工具撤回，其特征在于，在所述相反的方向上的所述电流（C）之前的所述脉冲式电流包括第一预脉冲电流脉冲（B），所述第一预脉冲电流脉冲（B）在与所述相反的方向上的所述电流相同的方向上，其幅度低于所述相反的方向上的所述电流；其中在所述主电流脉冲之前的所述脉冲式电流包括第二预脉冲电流脉冲（D），其中所述第二预脉冲的电流脉冲的方向与所述主电流脉冲相同，其幅度低于所述主电流脉冲；其中所述第一预脉冲电流脉冲（B）的幅度是所述主电流脉冲（A）的幅度的10-20%或更低，所述第二预脉冲电流脉冲（D）的幅度是所述主电流脉冲（A）的幅度的10-20%或更低。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其进一步包括扭矩传感器（25），其用于感测在由所述电动工具执行的紧固操作期间提供的实际扭矩。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的电动工具，其中，所述电动工具的电动机通过齿轮装置连接到所述旋转轴。

4.一种控制供应到电动工具（10）的电动机（11）的电流的方法，所述电动工具（10）包括由所述电动机（11）驱动的旋转轴（12），所述控制方法包括提供（301）脉冲式电流，其包括第一方向上的主电流脉冲（A），所述主电流脉冲在第一方向上驱动所述电动工具的所述旋转轴以将扭矩添加到接合件；以及在所述主电流脉冲之后在与所述第一方向相反的方向上的电流（C），以使所述电动工具撤回，所述方法进一步包括：提供在所述相反的方向上的所述电流脉冲之前的第一预脉冲电流脉冲（B），其中所述第一预脉冲的电流脉冲在与所述相反的方向上的所述电流相同的方向上，其幅度低于所述相反的方向上的所述电流；以及提供在所述主电流脉冲之前的第二预脉冲电流脉冲（D），其中所述第二预脉冲的电流脉冲的方向与所述主电流脉冲相同，其幅度低于所述主电流脉冲；其中所述第一预脉冲电流脉冲（B）的幅度是所述主电流脉冲（A）的幅度的10-20%或更低，所述第二预脉冲电流脉冲（D）的幅度是所述主电流脉冲（A）的幅度的10-20%或更低。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，选择所述相反的方向上的所述电流脉冲的幅度以免使所述接合件松开。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述相反的方向上的所述电流脉冲的幅度与所述主电流脉冲的幅度相关。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述相反的方向上的所述电流脉冲的幅度与所述主电流脉冲的幅度线性相关。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述相反的方向上的所述电流脉冲的幅度是所述主电流脉冲的幅度的5-50%。

9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述相反的方向上的所述电流脉冲包括斜变前沿。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述斜变前沿线性地斜变。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，应用所述第一预脉冲，直到达到所测量的应用于所述接合件的扭矩的预设阈值。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，应用所述第二预脉冲，直到达到所测量的应用于所述接合件的扭矩的预设阈值。

13.一种控制供应到电动工具（10）的电动机（11）的电流的方法，所述电动工具（10）包括由所述电动机（11）驱动的旋转轴（12），所述控制方法包括提供（301）脉冲式电流，其包括第一方向上的主电流脉冲（A），所述主电流脉冲在第一方向上驱动所述电动工具的所述旋转轴以将扭矩添加到接合件；以及在所述主电流脉冲之前提供电流脉冲（D），其中所述电流脉冲与所述主电流脉冲处于相同的方向，且具有比所述主电流脉冲低的幅度以消除前向反冲；所述电流脉冲（D）的幅度是所述主电流脉冲（A）的幅度的10-20%或更低。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，提供所述电流脉冲，直到所述接合件中的所测量扭矩高于阈值。

15.一种动力工具（10），其适于执行根据权利要求4至14中任一项所述的方法。

16.一种控制单元（16），其适于执行根据权利要求4至14中任一项所述的方法。

17.根据权利要求16所述的控制单元，其中，所述控制单元处于由所述控制单元控制的动力工具的外部。

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