CN112004644A - 信号处理装置和电动工具 - Google Patents

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Abstract

电动工具用的信号处理装置通过滤波器(22)对来自电动工具的扭矩传感器(6)的扭矩值信号(St)进行平滑化处理，由此产生用于控制电动机(1)的信号(Stc)，该信号处理装置具备：半值宽度检测电路(21)，其检测所述扭矩值信号(St)的半值宽度(Bs)；以及运算电路(23)，其基于检测出的所述扭矩值信号(St)的半值宽度，根据所述电动工具的打击数(H)来对所述滤波器(22)的截止频率(fc)进行可变控制。

Description

信号处理装置和电动工具
技术领域
本公开涉及一种具备通过由驱动装置提供的打击来进行旋转的旋转体的电动工具用的信号处理装置以及具备该信号处理装置的电动工具。
背景技术
已知一种具备通过由驱动装置提供的打击来进行旋转的旋转体的电动工具，如冲击起子和冲击扳手等(以下，也称为“冲击电动工具”)。
专利文献1公开了如下一种冲击电动工具：利用电动机对锤子进行旋转驱动，对紧固对象物施加锤子的打击扭矩来产生紧固扭矩。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-083002号公报
发明内容
发明要解决的问题
在冲击电动工具中存在基于施加到旋转体的扭矩来控制电动机等驱动装置的冲击电动工具。然而，在利用内置于冲击电动工具的扭矩传感器来测定施加到旋转体的扭矩时，表示扭矩的扭矩值信号包含因提供到冲击电动工具的旋转体的打击而引起的噪声成分(对扭矩值来说无用的成分)，被称为“扭矩值信号”。存在因该噪声成分导致无法准确地控制驱动装置的担忧。因而，在测定施加到冲击电动工具的旋转体的扭矩时，要求得到准确的扭矩值信号。
本公开的目的在于解决以上的问题点，提供一种能够产生与现有技术相比较高精度的扭矩值信号的信号处理装置以及具备该信号处理装置的电动工具。
用于解决问题的方案
根据本公开的一个方式所涉及的信号处理装置，
一种信号处理装置，通过滤波器对来自电动工具的扭矩传感器的扭矩值信号进行平滑化处理，由此产生用于控制电动机的电动机控制信号，所述信号处理装置的特征在于，具备：
半值宽度检测电路，其检测所述扭矩值信号的半值宽度；以及
运算电路，其基于检测出的所述扭矩值信号的半值宽度，根据所述电动工具的打击数来对所述滤波器的截止频率进行可变控制。
发明的效果
因此，根据本公开所涉及的信号处理装置，能够产生与现有技术相比较高精度的扭矩值信号。
附图说明
图1是示出实施方式所涉及的冲击电动工具的测试模式时的结构例的概要框图。
图2是示出由图1的测试模式用信号处理装置10A执行的测试模式信号处理的流程图。
图3是示出图1的冲击电动工具中的相对于截止频率fc的打击数特性的一例的图表。
图4是用于说明实施方式所涉及的截止频率fc的决定方法的图表。
图5是第1打的扭矩值信号的波形图。
图6是第44打的扭矩值信号的波形图。
图7是第84打的扭矩值信号的波形图。
图8是示出实施方式所涉及的扭矩值信号的滤波的图表。
图9是将使用按照实施方式决定的截止频率fc进行滤波后得到的扭矩值信号与实测出的扭矩值信号进行比较的图表。
图10是用于说明变形例所涉及的冲击电动工具中的扭矩值信号的截止频率fc的决定方法的图表，是示出第1打的扭矩值信号的频谱的图表。
图11是用于说明变形例所涉及的冲击电动工具中的扭矩值信号的截止频率fc的决定方法的图表，是示出第5打的扭矩值信号的频谱的图表。
图12是用于说明变形例所涉及的冲击电动工具中的扭矩值信号的截止频率fc的决定方法的图表，是示出第10打的扭矩值信号的频谱的图表。
图13是用于说明变形例所涉及的冲击电动工具中的扭矩值信号的截止频率fc的决定方法的图表，是示出第20打的扭矩值信号的频谱的图表。
图14是用于说明变形例所涉及的冲击电动工具中的扭矩值信号的截止频率fc的决定方法的图表，是示出第30打的扭矩值信号的频谱的图表。
图15是用于说明变形例所涉及的冲击电动工具中的扭矩值信号的截止频率fc的决定方法的图表，是示出第40打的扭矩值信号的频谱的图表。
图16是示出实施方式所涉及的冲击电动工具的动作模式时的结构例的概要框图。
图17是示出图16的动作模式用信号处理装置10的结构例的框图。
图18是示出实施方式所涉及的冲击电动工具中的扭矩值信号St、平滑化处理后得到的扭矩值信号Sts以及其半值宽度Bs的扭矩值信号的波形图。
图19是示出实施方式所涉及的冲击电动工具中的相对于打击数H的螺栓轴力、扭矩值信号的半值宽度Bs以及峰值Sp的图表。
图20是示出实施方式所涉及的冲击电动工具中的相对于打击数H的螺栓轴力、扭矩值信号的半值宽度Bs以及峰值Sp的图表。
具体实施方式
以下，参照附图来对本公开的实施方式进行说明。此外，在附图中，对同一或同样的结构要素赋予同一附图标记并省略其说明。
首先，在后面说明实施方式所涉及的测试模式时的冲击电动工具的结构和动作。
图1是示出实施方式所涉及的冲击电动工具的测试模式时的结构例的概要框图。在图1中，冲击电动工具具备：电动机1、减速机构2、锤子3、砧座4、轴5、扭矩传感器6、冲击传感器7、开口环(split ring)8、具有内部存储器10m的测试模式用信号处理装置10A、输入装置11A、以及显示装置12A。图1的冲击电动工具是具备旋转体的冲击起子等，该旋转体是利用通过将来自测试模式用信号处理装置10A的测试模式的电动机控制信号作为驱动信号提供到电动机1而产生的打击来进行旋转的旋转体。
此外，测试模式用信号处理装置10A和后述的动作模式用信号处理装置10例如由数字计算机等控制器构成，测试模式用信号处理装置10A也可以内置于动作模式用信号处理装置10。
砧座4和轴5形成为一体。在轴5的顶端(与砧座4相反的端部)设置有收容起子头(driver bit)的头保持件(未图示)。减速机构2将由电动机1产生的旋转减速后传递到锤子3。锤子3通过向砧座4提供打击力来使砧座4和轴5旋转。
在轴5固定有扭矩传感器6和冲击传感器7。扭矩传感器6检测施加到轴5的扭矩，输出表示检测出的扭矩的扭矩值信号St。扭矩传感器6例如包括应变传感器和磁致伸缩传感器。冲击传感器7检测通过提供到砧座4和轴5的打击而施加到轴5的冲击，输出将检测出的冲击表示为脉冲的冲击脉冲。冲击传感器7例如包括加速度传感器或传声器等。
开口环8将扭矩值信号St和冲击脉冲从轴5传输到设置在工具的非可动部分的信号处理装置10A。
输入装置11A从用户接收表示与工具的动作有关的追加参数的用户设定值，并将用户设定值发送到信号处理装置10A。追加参数例如包括工具的套筒的种类、紧固对象物的种类以及螺栓直径之中的至少一个。套筒的种类例如包括40mm、250mm等套筒长度。紧固对象物的种类例如包括硬接头(hard joint)和软接头(soft joint)。螺栓直径例如包括M8、M12、M14等。显示装置12A显示工具的状态、例如输入的用户设定值、施加到轴5的扭矩等。信号处理装置10A基于扭矩值信号St、冲击脉冲以及用户设定值来对电动机1进行驱动控制。电动机1在信号处理装置10A的控制下向砧座4和轴5提供打击。
在本公开中，也将砧座4、轴5以及头保持件(未图示)称为“旋转体”。另外，在本公开中，也将电动机1、减速机构2以及锤子3称为“驱动装置”。
图2是示出由图1的测试模式用信号处理装置10A执行的测试模式信号处理的流程图。另外，图3是示出图1的冲击电动工具中的相对于截止频率fc的打击数特性的一例的图表。此外，截止频率fc是后述的图17的数字低通滤波器(数字LPF)22的截止频率fc，数字低通滤波器22进行用于从包含打击波形的扭矩值信号St去除打击波形的噪声成分的平滑化处理。另外，根据发明人们的实验，相对于打击数H的截止频率fc如图3所示那样具有以下特性：随着打击数H的增加而变高，在规定的阈值打击数Hth时变为大致恒定(此时，如后所述，扭矩值信号St的半值宽度也变为恒定)从而饱和。
在图1的步骤S1中，针对测试对象的冲击旋转工具，进行多次打击，来获取相对于来自冲击传感器7的冲击脉冲的计数值即打击数H的、来自扭矩传感器6的扭矩值信号(包含打击波形)St的波形数据，并保存到内部存储器10m。接着，在步骤S2中，对通过多次打击而得到的扭矩值信号St的波形数据进行FFT(快速傅里叶变换)，通过详情在后面叙述的方法来得到相对于打击数H的截止频率特性。
并且，在步骤S3中，根据上述相对于打击数H的截止频率特性(图3)，得到扭矩值信号St的波形数据的半值宽度Bs成为恒定的阈值打击数Hth(参照图3)并设定到内部存储器10m中。在步骤S4中，在上述相对于打击数H的截止频率特性中，将阈值打击数Hth作为边界，如图3所示那样，通过
(1)从开始打击起到阈值打击数Hth为止的近似式EQ1、以及
(2)从阈值打击数Hth起到打击结束为止的近似式EQ2
来进行直线近似，计算这些近似式EQ1、EQ2并保存到内部存储器10m，结束该测试模式信号处理。
在本实施方式中，如详情在后面叙述的那样，特征在于，在扭矩值信号St的半值宽度Bs成为恒定之前使用近似式EQ1来决定截止频率fc，另一方面，如果扭矩值信号St的半值宽度Bs变为恒定(如果打击数H超过规定的阈值打击数Hth)，则使用近似式EQ2来决定截止频率fc。
图4是用于详细说明实施方式所涉及的截止频率fc的决定方法的图表。在实施方式中，截止频率fc被设定为相对于扭矩值信号St的频谱的峰值下降预先决定的信号电平时的频率，在图4的例子中为相对于扭矩值信号St的频谱的峰值下降16dB时的频率。如前所述，在通过冲击起子将某一个螺钉或螺栓紧固时，随着从开始紧固时起计数的打击数增大，扭矩值信号St中的靠高频侧的频率成分逐渐增大。因此，随着打击数增大，截止频率fc也增大。
图5是第1打的扭矩值信号St的波形图。图6是第44打的扭矩值信号St的波形图。图7是第84打的扭矩值信号St的波形图。在图5～图7的情况下，作为用户设定值，使用了套筒类型“套筒长度40mm”、紧固对象物“硬接头”以及螺栓直径“M14”。根据图5～图7可知，随着打击数增大，冲击持续时间变短。另外，此时，随着打击数增大，扭矩值信号St中的靠高频侧的频率成分逐渐增大。
图8是示出实施方式所涉及的扭矩值信号St的滤波的图表。能够得到使用如上所述那样决定的截止频率fc进行滤波从而减少了噪声成分的扭矩值信号Sts。
图9是将使用按照实施方式决定的截止频率fc进行滤波后得到的扭矩值信号与实测出的扭矩值信号进行比较的图表。图9的图表表示向砧座4和轴5提供每秒40次打击时的扭矩值信号St的值。实线表示由外部的测定器实测出的扭矩值。三角形的绘制点(plot)表示第10打、第20打、…、第90打的滤波后得到的扭矩值信号St的值。虚线表示滤波后得到的扭矩值信号St的值的近似式：y＝a×ln(x)+b。在此，x表示时间(与打击数对应)，y表示电压，a和b表示与追加参数相应地变化的系数。根据图9可知，滤波后得到的扭矩值信号St的值与实测出的扭矩值相当一致。
变形例.
滤波器22的截止频率也可以根据与上述的基准不同的基准来决定。
图10～图15是用于说明变形例所涉及的工具中的扭矩值信号St的截止频率的决定方法的图表。图10是示出第1打的扭矩值信号St的频谱的图表。图11是示出第5打的扭矩值信号St的频谱的图表。图12是示出第10打的扭矩值信号St的频谱的图表。图13是示出第20打的扭矩值信号St的频谱的图表。图14是示出第30打的扭矩值信号St的频谱的图表。图15是示出第40打的扭矩值信号St的频谱的图表。如前所述，在通过冲击起子将某一个螺钉或螺栓紧固时，随着从开始紧固时起计数的打击数增大，扭矩值信号St中的靠高频侧的频率成分逐渐增大。在变形例中，截止频率fc被设定为在扭矩值信号St的频谱中从低频向高频搜索而信号电平变为最初的极小值时的频率。
接着，在下面说明实施方式所涉及的冲击电动工具的动作模式时的结构和动作。
图16是示出实施方式所涉及的冲击电动工具的动作模式时的结构例的概要框图。在图16中，冲击电动工具具备：电动机1、减速机构2、锤子3、砧座4、轴5、扭矩传感器6、冲击传感器7、开口环8、具有内部存储器10m的动作模式用信号处理装置10、输入装置11、以及显示装置12。图16的冲击电动工具与图10的冲击电动工具相比，特征在于具备动作模式用信号处理装置10、输入装置11以及显示装置12来代替测试模式用信号处理装置10A、输入装置11A以及显示装置12A。以下，对不同点进行说明。
图17是示出图16的动作模式用信号处理装置10的结构例的框图。图18是示出实施方式所涉及的冲击电动工具中的扭矩值信号St、平滑化处理后得到的扭矩值信号Sts以及其半值宽度Bs的扭矩值信号的波形图。
在图17中，动作模式用信号处理装置10具备：模拟低通滤波器(模拟LPF)20、半值宽度检测电路21、数字低通滤波器(数字LPF)22、截止频率运算电路23、包括电动机停止控制部24A的电动机控制电路24、计数器25、以及内部存储器10m。此外，在内部存储器10m中预先保存有在测试模式下决定的以下的数据。
(1)表示相对于从开始打击起到阈值打击数Hth为止(到图18的半值宽度Bs成为恒定为止)的打击数H的截止频率fc的近似式EQ1；以及
(2)表示相对于从阈值打击数Hth起到打击结束为止(图18的半值宽度Bs变为恒定之后)的打击数H的截止频率fc的近似式EQ2。
此外，输入装置11作为用于供用户根据冲击电动工具的种类来从多组近似式EQ1、EQ2之中选择最佳组的输入单元来进行动作。另外，显示装置12显示扭矩值信号St、半值宽度Bs、截止频率fc、打击数H等信息。
模拟低通滤波器20具有与数字低通滤波器22的截止频率fc相比足够高的截止频率，对来自扭矩传感器6的包含打击波形的扭矩值信号进行低通滤波，将处理后的扭矩值信号输出到半值宽度检测电路21和数字低通滤波器22。半值宽度检测电路21对输入的信号的半值宽度进行检测并输出到截止频率运算电路23。
另外，计数器25通过对来自冲击传感器7的冲击脉冲进行计数来对打击数H进行计数并输出到截止频率运算电路23。
数字低通滤波器22例如是FIR(Finite Impulse Response，有限冲激响应)型数字滤波器，其截止频率fc是通过设定规定的多个滤波器系数来设定的。数字低通滤波器22被设定成由截止频率运算电路23指定的截止频率fc，进行从包含打击波形的扭矩值信号去除打击波形的噪声成分的平滑化处理，之后，将处理后的扭矩值信号Sts输出到电动机控制电路24。截止频率运算电路23基于半值宽度Bs来如以下那样进行动作。
(1)从开始打击起到半值宽度Bs变为恒定为止(到变为规定的阈值打击数Hth为止)，使用内部存储器10m中保存的近似式EQ1，运算根据打击数H运算的截止频率fc并指定给数字低通滤波器22。
(2)从半值宽度Bs变为恒定起到停止打击为止(在变为规定的阈值打击数Hth之后)，使用内部存储器10m中保存的近似式EQ2，运算根据打击数H运算的截止频率fc并指定给数字低通滤波器22。
电动机控制电路24基于输入的平滑处理后得到的扭矩值信号Sts来产生电动机控制信号Stc，由此控制通过电动机1向砧座4和轴5提供的打击。另外，电动机控制电路24在例如扭矩值信号Sts已变为规定的阈值以上时通过电动机停止控制部24A来停止电动机1的驱动。
另外，认为在扭矩值信号中，噪声成分具有比关注对象的信号成分的频率高的频率。因此，为了从扭矩值信号减少噪声成分，期待在滤波器22中设定截止频率fc是有效的。然而，本申请发明人们发现了：在通过冲击起子将某一个螺钉或螺栓紧固时，随着从开始紧固时起计数的打击数增大，扭矩值信号中的靠高频侧的频率成分逐渐增大。认为其理由是，随着打击数增大，螺钉或螺栓逐渐被牢牢紧固。因此，存在以下担忧：在对滤波器22设定了固定值的截止频率fc的情况下，在从开始紧固到结束为止的整个过程中不能适当地减少噪声成分。在本公开中，信号处理装置10如上所述那样根据打击数H来改变截止频率fc。由此，信号处理装置10能够在从开始打击到结束为止的整个过程中获得以适当地减少噪声成分的方式进行了滤波的准确的扭矩值信号。
图19是示出实施方式所涉及的冲击电动工具中的相对于打击数H的螺栓轴力、扭矩值信号的半值宽度Bs以及峰值Sp的图表。另外，图20是示出实施方式所涉及的冲击电动工具中的相对于打击数H的螺栓轴力、扭矩值信号的半值宽度Bs以及峰值Sp的图表。根据图19和图20可以明确的是，在例如使用“M12螺栓、硬接头、套筒长度40mm”的情况下，扭矩值信号St的半值宽度Bs的变化与螺栓轴力的增加一起减少，成为恒定值。另外可知，在半值宽度成为恒定值之后，螺栓轴力的上升方式为线性的。
如以上所说明的那样，根据本实施方式，基于由半值宽度检测电路21检测出的扭矩值信号的半值宽度，根据前述电动工具的打击数H来对数字低通滤波器22的截止频率fc进行可变控制，因此，能够获得以适当地减少噪声成分的方式进行了滤波的准确的扭矩值信号。由此，能够适当地控制电动工具的电动机1。
在以上的实施方式中，使用了数字低通滤波器22，但是，本公开并不限于此，也可以是带通滤波器等能够减少规定的截止频率fc以上的频率成分的滤波器。
本公开的实施方式不限于冲击起子等冲击电动工具，也能够应用于冲击扳手等具备通过由驱动装置提供的打击来进行旋转的旋转体的其它电动工具。
附图标记说明
1：电动机；2：减速机构；3：锤子；4：砧座；5：轴；6：扭矩传感器；7：冲击传感器；8：开口环；10：动作模式用信号处理装置；10A：测试模式用信号处理装置；10m：内部存储器；11、11A：输入装置；12、12A：显示装置；20：模拟低通滤波器(模拟LPF)；21：半值宽度检测电路；22：数字低通滤波器(数字LPF)；23：截止频率运算电路；24：电动机控制电路；24A：电动机停止控制部。

Claims (7)

1.一种信号处理装置，通过滤波器对来自电动工具的扭矩传感器的扭矩值信号进行平滑化处理，由此产生用于控制电动机的电动机控制信号，所述信号处理装置的特征在于，具备：
半值宽度检测电路，其检测所述扭矩值信号的半值宽度；以及
运算电路，其基于检测出的所述扭矩值信号的半值宽度，根据所述电动工具的打击数来对所述滤波器的截止频率进行可变控制。
2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，
所述运算电路根据所述电动工具的打击数来运算所述滤波器的截止频率，将运算出的所述截止频率设定给所述滤波器。
3.根据权利要求2所述的信号处理装置，其特征在于，
所述运算电路使用第一运算函数和第二运算函数来运算所述滤波器的截止频率，所述第一运算函数和所述第二运算函数用于根据所述电动工具的打击数来运算所述滤波器的截止频率，
所述运算电路在所述扭矩值信号的半值宽度成为恒定时选择性地从所述第一运算函数切换为所述第二运算函数。
4.根据权利要求3所述的信号处理装置，其特征在于，
所述第一运算函数和所述第二运算函数是基于在测试模式下检测出的、所述滤波器的截止频率相对于所述电动工具的打击数的特性而运算出的直线近似式。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的信号处理装置，其特征在于，
所述滤波器是具有规定的滤波器系数的有限冲激响应型即FIR型数字滤波器，
所述运算电路通过控制所述滤波器系数来对所述滤波器的截止频率进行可变控制。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的信号处理装置，其特征在于，
还具备电动机控制电路，所述电动机控制电路基于通过滤波器对所述扭矩值信号进行平滑化处理而得到的信号，来产生用于控制所述电动机的电动机控制信号。
7.一种电动工具，其特征在于，具备根据权利要求1～6中的任一项所述的信号处理装置。
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