CN109414806B - 具有受控反作用力的电脉冲工具 - Google Patents

具有受控反作用力的电脉冲工具 Download PDF

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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一串受控能量脉冲，所述电动工具进一步包括用于感测与所述电动工具的角位移相关的参数的角度传感器。至少部分地基于来自所述角度传感器的输出信号来控制所述能量脉冲的能量。

Description

具有受控反作用力的电脉冲工具
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。所述电动机适合于被馈送一串受控能量脉冲。所述电动工具进一步包括用于感测与电动工具的角位移相关的参数的角度传感器。电动工具适于至少部分地基于来自角度传感器的输出信号来控制在能量脉冲中供应的能量。由此实现的是，馈送到电动机的能量将不会导致超过与角位移相关的一个或多个阈值水平。这继而将使得有可能在电动工具中实现更好的人体工程学。
根据一个实施方案，受控能量脉冲是电流脉冲。可以容易地控制电流脉冲以快速变换能量。例如，可基于来自角度传感器的输出信号来控制电流脉冲的持续时间或幅度或这两者。通过改变此类参数值中的任一个，可改变特定脉冲中的能量的量。
根据一个实施方案，所述角度传感器是适于感测角位移、角速度或角加速度中的至少一个的传感器。通过检测这些参数中的一个或多个，有可能控制电动工具不超过角位移、角速度或角加速度中的一个或多个的极限阈值。这将改进人体工程学。此外，可针对不同工具个别地设置阈值限值以匹配个别操作员的偏好。
根据一个实施方案，所述电动工具包括电动机与旋转轴之间的齿轮装置。根据一个实施方案，所述角度传感器是陀螺仪传感器或加速度计中的至少一个。
根据一个实施方案，所述电动工具适于控制感测到的脉冲内的脉冲能量。根据一个实施方案，动力工具适于控制感测到的脉冲与将至脉冲之间的脉冲能量。所述电动工具还可适于控制感测到的脉冲内和将至脉冲(具体地说，感测到的脉冲的后续脉冲)中的脉冲能量。
本发明还涉及一种用于控制根据上文的电动工具的方法，且涉及一种适于执行此类方法的计算机程序。本发明涉及一种用于控制根据上文的能量脉冲的控制器。
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，例如角度编码器或扭矩计或这两者都有，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，或至少低于某个阈值。还希望操作者经历工具中的较低振动和较低加速度。
为了控制反作用力，电动工具可具有感测电动工具的角度或与所述角度相关的角速度或角加速度等参数的传感器。传感器可例如是陀螺仪传感器或加速计或其组合。接着，由控制单元基于来自传感器的输出信号来控制馈送到电动工具的电动机的一系列能量脉冲中的脉冲的能量。控制器既可以设置在电动工具内部，也可以作为单独单元设置在电动工具外部并与电动工具通信。因此，如果感测到的脉冲产生指示较大反作用力的信号，则可将所述脉冲或下一脉冲的能量控制到减小的值以减小反作用力。由此，在紧固操作中，当使用电动工具时，有可能动态地控制反作用力。
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来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可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，所述工具包括输出轴12，且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。传感器可例如是扭矩传感器、角度传感器、加速度计、陀螺仪传感器等中的一个或多个。具体地说，至少一个传感器14、15、25适于感测电动工具10的角参数。用于感测角参数的角度传感器可例如是陀螺仪传感器或加速计或这两者都有。感测到的角参数可例如是电动工具的角位移、电动工具的角速度或电动工具的角加速度。此外，根据一些实施方案，动力工具10可具有通过齿轮装置(未示出)连接到电动机11的输出轴12。
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可适于通过向电动机馈送电脉冲来控制馈送到电动机的能量。在本文所示实施方案中，通过控制馈送到电动机11的电流来控制电脉冲。然而，也可设想控制馈送到电动机的脉冲式能量的其它方法，例如控制脉冲的持续时间、电压等。
根据一个实施方案，控制单元16从对应于电动工具的角参数的传感器接收信号。角参数用于确定由馈送到电动机的脉冲串中的脉冲产生的电动工具的角位移。基于角位移，控制馈送到电动工具的脉冲的能量。受控脉冲可以是当前(目前的)脉冲或将至脉冲。通过基于所确定的由脉冲引起的电动工具的角位移来控制脉冲的能量，有可能将操作者感觉到的反作用力调节到电动工具使用舒适的水平。所述控制可用于将角位移或加速度或这两者控制在预设极限值内。
在图2和3中，示出流程图，其示出根据一些实施方案的在操作期间控制送到动力工具的电流时的一些示例性步骤。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紧固接合件的紧固方向上驱动所述动力工具。首先，在步骤301中，根据图3的示例性程序向电动机提供脉冲串。这可通过向电流脉冲串供应具有预定幅度的电流脉冲A(见图2)来执行。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。如果没有检测到停止准则，则程序进行到步骤307。在步骤307中，确定工具的角位移(或与其相关的参数)。基于在步骤307做出的确定，在步骤309中确定工具的角位移是否高于预定阈值，且如果确定角位移高于预定阈值，则减小脉冲的脉冲能量。图2中在脉冲B处描绘了此类情境，脉冲B与前一脉冲相比具有减小的能量。所述程序可接着返回到步骤303或进行到步骤311。在步骤311中，确定角位移是否低于阈值。如果角位移低于阈值，则可增大新脉冲的能量(假设没有其它限制来限制新脉冲中供应的能量)。这在图2中在脉冲C处示出。然而，当达到由某一其它参数限制的最大能量时，能量脉冲将不再增大。例如，工具可具有其可传递的最大能量，或其它限制可能适用。
在上文示例性实施方案中，基于角位移来控制脉冲之间的电流量值。然而，还设想其它控制方法。例如，与角位移相关的参数可以是角速度或角加速度。接着，可控制脉冲能量以将角速度或角加速度保持在预定极限值内。另外，可形成极限值的任何组合，且可将脉冲能量控制为不超过任何此类极限值。此外，还可针对所测量脉冲来控制脉冲能量。例如，当在脉冲期间超过极限值时，可停止或减小供应给脉冲的能量。由此，可实现对工具的角位移、角速度或角加速度中的一个或多个等参数的脉冲内控制。
有利地，本文描述的控制电动工具的方法是计算机实施的。此外，用于控制脉冲能量的控制器可位于电动工具内部，或根据一些实施方案，作为外部控制器单元位于电动工具外部。

Claims (10)

1.一种电动工具(10)，其配置成执行其中以一系列脉冲传递扭矩的紧固操作，所述电动工具(10)包括适于驱动所述电动工具(10)的旋转轴(12)的电动机(11)，所述电动机适于被馈送一串受控电流脉冲，所述电动工具(10)进一步包括用于感测与所述电动工具的角位移相关的参数的角度传感器，角位移相关的参数是角速度或角加速度，其特征在于，所述电动工具适于至少部分地基于来自所述角度传感器的输出信号来控制在所述电流脉冲中供应的电流，以不超过与所述电动工具的角位移相关的所述参数的极限阈值。
2.根据权利要求1所述的电动工具，其中，基于来自所述角度传感器的输出信号来控制所述电流脉冲的持续时间和/或幅度。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的电动工具，其中所述角度传感器是适于感测角位移、角速度或角加速度中的至少一个的传感器。
4.根据权利要求1所述的电动工具，其中，所述电动工具包括在所述电动机与所述旋转轴之间的齿轮装置。
5.根据权利要求1所述的电动工具，其中，所述角度传感器是陀螺仪传感器或加速度计中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的电动工具，其中，所述动力工具适于控制感测到的脉冲内的能量。
7.根据权利要求1所述的电动工具，其中，所述动力工具适于控制感测到的脉冲与将至脉冲之间的能量。
8.一种控制电动工具(10)的方法，所述电动工具(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，所述电动工具(10)包括适于驱动所述电动工具(10)的旋转轴(12)的电动机(11)，所述电动机适于被馈送一串受控电流脉冲，所述电动工具(10)进一步包括用于感测与所述电动工具的角位移相关的参数的角度传感器，角位移相关的参数是角速度或角加速度，其特征在于，至少部分地基于来自所述角度传感器的输出信号来控制在所述电流脉冲中供应的电流，以不超过与所述电动工具的角位移相关的所述参数的极限阈值。
9.一种计算机程序产品，其包括适于当在计算机上执行时使所述计算机执行根据权利要求8所述的方法的计算机程序代码。
10.一种控制电动工具(10)的控制器，所述电动工具(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，所述电动工具(10)包括适于驱动所述电动工具(10)的旋转轴(12)的电动机(11)，所述电动机适于被馈送一串受控电流脉冲，所述电动工具(10)进一步包括用于感测与所述电动工具的角位移相关的参数的角度传感器，角位移相关的参数是角速度或角加速度，其特征在于，控制器适于至少部分地基于来自所述角度传感器的输出信号来控制供给所述电流脉冲的电流，以不超过与所述电动工具的角位移相关的所述参数的极限阈值。
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