CN112536754A - 一种螺丝紧固系统及方法 - Google Patents

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CN112536754A CN202011367219.7A CN202011367219A CN112536754A CN 112536754 A CN112536754 A CN 112536754A CN 202011367219 A CN202011367219 A CN 202011367219A CN 112536754 A CN112536754 A CN 112536754A
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Abstract

本发明公开了一种螺丝紧固系统及方法，其包括速度给定单元、扭矩给定单元、滤波单元、速度扭矩控制单元、速度扭矩反馈单元、电流控制单元、速度权重单元、扭矩权重单元、电机、电流检测单元、速度传感器、扭矩传感器，电机一端连接有电动扳手，速度传感器输入端、扭矩传感器输入端及电流检测单元输入端分别与电机连接，电流检测单元的输出端与电流控制单元连接并提供电流反馈值给电流控制单元；速度扭矩控制单元与电流控制单元连接，电流控制单元与电机连接。本发明通过设置速度扭矩控制单元、速度扭矩反馈单元及电流控制单元，对待紧固螺丝的施工扭矩及电机转速同时进行控制，减小冲击扭矩，保证更高的扭矩精度，有效提高对螺丝的拧紧效果。

Description

一种螺丝紧固系统及方法
技术领域
本发明涉及螺钉锁紧技术领域，尤其是涉及一种螺丝紧固系统及方法。
背景技术
目前市场上的拧紧装置为电动力矩扳手、气动力矩扳手、液压力矩扳手及手动力矩扳手，这类设备在拧紧螺丝的过程中，多为机械式控制扭矩或者开环控制扭矩。
上述控制结构采用单一控制方式，控制比较简单，不适用在实际工程中对扭矩有高精度要求和拧紧螺丝表面不能受到冲击的材料。扭矩精度不高，无速度或位置控制易造成冲击扭矩导致最终螺丝的夹紧力不足，拧紧效果不稳定。例如在拧紧手机后盖为M1.5规格小螺丝时，扭矩过大会造成滑丝，扭矩过小会造成松动。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术的不足，提供一种提高螺丝扭矩拧紧精度与螺丝拧紧的品质的螺丝紧固系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种螺丝紧固系统，其包括速度给定单元、扭矩给定单元、滤波单元、速度扭矩控制单元、速度扭矩反馈单元、电流控制单元、速度权重单元、扭矩权重单元、电机、电流检测单元、速度传感器、扭矩传感器，所述速度给定单元用于设定目标速度和目标加速度生成时间-速度曲线，所述扭矩给定单元用于设定目标扭矩和扭矩加速度生成时间-扭矩曲线，所述速度权重单元用于预设速度权重系数，所述扭矩权重单元用于预设扭矩权重系数，所述速度权重单元分别与滤波单元输入端及速度扭矩反馈单元输入端连接，所述扭矩权重单元分别与滤波单元输入端及速度扭矩反馈单元输入端连接，所述滤波单元输出端及速度扭矩反馈单元输出端分别与速度扭矩控制单元连接，所述滤波单元用于提供速度扭矩输入值给速度扭矩控制单元，所述速度扭矩反馈单元用于提供速度扭矩反馈值给速度扭矩控制单元，所述速度给定单元与速度权重单元连接，所述扭矩给定单元与扭矩权重单元连接；
所述电机一端连接有电动扳手，所述速度传感器输入端、扭矩传感器输入端及电流检测单元输入端分别与电机连接，所述速度传感器用于对电机转速进行检测，所述扭矩传感器用于对待紧固螺丝的施工扭矩进行检测，所述电流检测单元用于对电机电流进行检测并获得电流反馈值，所述速度传感器的输出端与速度权重单元连接，所述扭矩传感器的输出端与扭矩权重单元连接，所述电流检测单元的输出端与电流控制单元连接并提供电流反馈值给电流控制单元；所述速度扭矩控制单元与电流控制单元连接，所述电流控制单元与电机连接，所述速度扭矩控制单元根据速度扭矩输入值与速度扭矩反馈值的偏差获得电流控制单元的电流给定值，所述电流控制单元通过电流给定值与电流反馈值的偏差获得电机控制的电压值。
在其中一个实施例中，所述速度扭矩反馈单元根据电机转速及速度权重系数与扭矩传感器检测到的待紧固螺丝的施工扭矩及扭矩权重系数获取到速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值。
在其中一个实施例中，所述滤波单元为二阶低通滤波器，所述滤波单元所采用的传递函数Gs(s)满足：
Figure BDA0002804737780000021
其中，Tf为滤波器系数，s为拉普拉斯变换算子。
在其中一个实施例中，所述电机中电磁转矩所采用的控制公式满足：
Mm(t)＝Cmia(t)，
其中，Mm(t)为电机电枢的电磁转矩，Cm是电机转矩系数，ia(t)为电机电流；
所述电机中电动机轴的转矩平衡公式为：
Figure BDA0002804737780000022
其中，ωm(t)为电机转速，Mc(t)是折合到电机轴上的总负载转矩，fm为电机和负载折合到电机轴上的黏性摩擦系数，Jm为电机和负载折合到电机轴上的转动惯量；
对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制以满足：
Mm(t)＝M1m(t)+M2m(t)，
M1m(t)＝Cmi1a(t)，
M2m(t)＝Cmi2a(t)，
其中，M1m(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的转矩，M2m(t)为电机输出的工作扭矩，i1a(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的电流，i2a(t)为电机输出的工作扭矩所需要的电流；
结合电机中电动机轴的转矩平衡公式，通过控制公式
Figure BDA0002804737780000031
Figure BDA0002804737780000032
M2m(t)＝Mc(t)分别控制电机转速与电机输出的工作扭矩；
所述待紧固螺丝的施工扭矩Tm(t)与电机输出的工作扭矩M2m(t)的关系满足一阶惯性环节，即
Figure BDA0002804737780000033
其中，T1为传动滞后系数，Ck为传动末端扭矩系数，s为拉普拉斯变换算子，Tm(s)为Tm(t)的拉普拉斯变换，M2m(s)为M2m(t)的拉普拉斯变换。
在其中一个实施例中，所述速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值Pref和速度扭矩反馈值Pfb分别满足以下公式：
Pref＝w1*Speedref+w2*Torqueref；
Pfb＝w1*Speedfb+w2*Torquefb；
其中，w1为速度权重系数，w2为扭矩权重系数，Speedref为当前工艺阶段电机转速，Torqueref为当前工艺阶段待紧固螺丝的施工扭矩，Speedfb为当前工艺阶段电机转速反馈值，Torquefb为当前工艺阶段待紧固螺丝的施工扭矩反馈值；螺丝紧固系统所采取的装配工艺流程包括寻帽阶段、搜索阶段、预拧紧阶段、反转阶段及最终拧紧阶段，其中，当前工艺阶段为寻帽阶段、搜索阶段、预拧紧阶段、反转阶段或最终拧紧阶段。
一种螺丝紧固方法，其包括如下步骤：
步骤S110、确定装配工艺流程，设定目标速度和目标加速度，建立时间-速度工艺曲线；设定目标扭矩及扭矩加速度，建立时间-扭矩工艺曲线；
步骤S120、对时间-速度工艺曲线及时间-扭矩工艺曲线之和进行滤波处理，获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值；
步骤S130、获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值；
步骤S140、根据速度扭矩输入值与速度扭矩反馈值的偏差获得电流控制单元的电流给定值Iref；
步骤S150、通过电流给定值Iref与电流反馈值Ifb的偏差获得电机控制的电压值，其中，电流反馈值Ifb通过电流检测单元对电机电流进行检测获得；
步骤S160、根据电机控制的电压值结合电磁转矩控制公式、电机中电动机轴的转矩平衡公式对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制，并根据电机输出的工作扭矩获取待紧固螺丝的施工扭矩，完成对待紧固螺丝的紧固操作。
在其中一个实施例中，所述确定装配工艺流程，设定目标速度和目标加速度，建立时间-速度工艺曲线；设定目标扭矩及目标扭矩加速度，建立时间-扭矩工艺曲线的方法，包括以下步骤：
寻帽阶段，设定第一目标速度和第一加速度，建立第一时间-第一速度工艺曲线；设定第一目标扭矩及第一扭矩加速度，建立第一时间-第一扭矩工艺曲线；
搜索阶段，设定第二目标速度和第二加速度，建立第二时间-第二速度工艺曲线；设定第二目标扭矩及第二扭矩加速度，建立第二时间-第二扭矩工艺曲线；
预拧紧阶段，设定第三目标速度和第三加速度，建立第三时间-第三速度工艺曲线；设定第三目标扭矩及第三扭矩加速度，建立第三时间-第三扭矩工艺曲线；
反转阶段，设定第四目标速度和第四加速度，建立第四时间-第四速度工艺曲线；设定第四目标扭矩及第四扭矩加速度，建立第四时间-第四扭矩工艺曲线；
最终拧紧阶段，设定第五目标速度和第五加速度，建立第五时间-第五速度工艺曲线；设定第五目标扭矩及第五扭矩加速度，建立第五时间-第五扭矩工艺曲线；
其中，目标速度包括第一目标速度、第二目标速度、第三目标速度、第四目标速度或第五目标速度，目标加速度包括第一加速度、第二加速度、第三加速度、第四加速度或第五加速度，第一时间-第一扭矩工艺曲线、第二时间-第二速度工艺曲线、第三时间-第三速度工艺曲线、第四时间-第四速度工艺曲线及第五时间-第五速度工艺曲线共同组成时间-速度工艺曲线；第一时间-第一扭矩工艺曲线、第二时间-第二扭矩工艺曲线、第三时间-第三扭矩工艺曲线、第四时间-第四扭矩工艺曲线及第五时间-第五扭矩工艺曲线共同组成时间-扭矩工艺曲线。
在其中一个实施例中，所述步骤S160中电机中电磁转矩所采用的控制公式满足：
Mm(t)＝Cmia(t)，
其中，Mm(t)为电机电枢的电磁转矩，Cm是电机转矩系数，ia(t)为电机电流。
所述电机中电动机轴的转矩平衡公式为：
Figure BDA0002804737780000051
其中，ωm(t)为电机转速，Mc(t)是折合到电机轴上的总负载转矩，fm为电机和负载折合到电机轴上的黏性摩擦系数，Jm为电机和负载折合到电机轴上的转动惯量。
对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制以满足：
Mm(t)＝M1m(t)+M2m(t)，
M1m(t)＝Cmi1a(t)，
M2m(t)＝Cmi2a(t)，
其中，M1m(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的转矩，M2m(t)为电机输出的工作扭矩，i1a(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的电流，i2a(t)为电机输出的工作扭矩所需要的电流。
结合电机中电动机轴的转矩平衡公式，通过控制公式
Figure BDA0002804737780000061
Figure BDA0002804737780000062
M2m(t)＝Mc(t)分别控制电机转速与电机输出的工作扭矩；
所述待紧固螺丝的施工扭矩Tm(t)与电机输出的工作扭矩M2m(t)的关系满足一阶惯性环节，即
Figure BDA0002804737780000063
其中，T1为传动滞后系数，Ck为传动末端扭矩系数，s为拉普拉斯变换算子，Tm(s)为Tm(t)的拉普拉斯变换，M2m(s)为M2m(t)的拉普拉斯变换。
在其中一个实施例中，所述对时间-速度工艺曲线及时间-扭矩工艺曲线之和进行滤波处理，获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值的方法，包括如下步骤，
速度给定单元和扭矩给定单元分别通过以下公式生成电机转速Speedref和待紧固螺丝的施工扭矩Torqueref：
Figure BDA0002804737780000064
Figure BDA0002804737780000065
Va＝Sa*Ts
Ka＝Ta*Ts，
其中，Ts为采样周期，Sref为当前工艺阶段的目标速度，Sa为当前工艺阶段的目标加速度，V为上一采样周期生成的Speedref，Tref为当前工艺阶段的目标扭矩，Ta为当前工艺阶段的扭矩加速度，T为上一采样周期生成的Torqueref。
根据速度权重系数w1及扭矩权重系数w2获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值Pref：
Pref＝w1*Speedref+w2*Torqueref，其中，Torqueref设置为当前工艺阶段过程中所需要的待紧固螺丝的施工扭矩，Speedref设置为当前工艺阶段过程中电机转速。
在其中一个实施例中，所述获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值的方法，包括如下步骤，
扭矩传感器对待紧固螺丝的施工扭矩进行检测；
速度传感器对电机转速进行检测；
根据速度权重系数w1及扭矩权重系数w2获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值Pfb：
Pfb＝w1*Speedfb+w2*Torquefb，其中，Speedfb为当前工艺阶段过程中电机转速反馈值，Torquefb为当前工艺阶段过程中待紧固螺丝的施工扭矩反馈值。
综上所述，本发明一种螺丝紧固系统及方法通过设置速度扭矩控制单元、速度扭矩反馈单元及电流控制单元，对待紧固螺丝的施工扭矩及电机转速同时进行控制，减小冲击扭矩，保证更高的扭矩精度，有效提高对螺丝的拧紧效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种螺丝紧固系统的部分结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种螺丝紧固系统的另一部分结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种螺丝紧固系统的时间-速度曲线示意图；
图4是本发明实施例提供的一种螺丝紧固系统的时间-扭矩曲线示意图；
图5是本发明实施例一种螺丝紧固方法的流程示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1至图5所示，本发明一种螺丝紧固系统包括速度给定单元、扭矩给定单元、滤波单元、速度扭矩控制单元、速度扭矩反馈单元、电流控制单元、速度权重单元、扭矩权重单元、电机、电流检测单元、速度传感器、扭矩传感器，所述速度给定单元用于设定目标速度和目标加速度生成时间-速度曲线，所述扭矩给定单元用于设定目标扭矩和扭矩加速度生成时间-扭矩曲线，所述速度权重单元用于预设速度权重系数，所述扭矩权重单元用于预设扭矩权重系数，所述速度权重单元分别与滤波单元输入端及速度扭矩反馈单元输入端连接，所述扭矩权重单元分别与滤波单元输入端及速度扭矩反馈单元输入端连接，所述滤波单元输出端及速度扭矩反馈单元输出端分别与速度扭矩控制单元连接，所述滤波单元用于提供速度扭矩输入值给速度扭矩控制单元，所述速度扭矩反馈单元用于提供速度扭矩反馈值给速度扭矩控制单元；具体地，所述速度给定单元与速度权重单元连接，所述扭矩给定单元与扭矩权重单元连接，所述滤波单元对扭矩给定单元生成的时间-速度曲线与速度给定单元生成的时间-扭矩曲线之和进行滤波处理。
所述电机一端连接有电动扳手，所述速度传感器输入端、扭矩传感器输入端及电流检测单元输入端分别与电机连接，所述速度传感器用于对电机转速进行检测，所述扭矩传感器用于对待紧固螺丝的施工扭矩进行检测，所述电流检测单元用于对电机电流进行检测并获得电流反馈值，所述速度传感器的输出端与速度权重单元连接，所述扭矩传感器的输出端与扭矩权重单元连接，所述电流检测单元的输出端与电流控制单元连接并提供电流反馈值给电流控制单元，其中，所述速度扭矩反馈单元根据电机转速及速度权重系数与扭矩传感器检测到的待紧固螺丝的施工扭矩及扭矩权重系数获取到速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值。
所述速度扭矩控制单元与电流控制单元连接，所述电流控制单元与电机连接，所述速度扭矩控制单元根据速度扭矩输入值与速度扭矩反馈值的偏差获得电流控制单元的电流给定值，所述电流控制单元通过电流给定值与电流反馈值的偏差获得电机控制的电压值，进而对电机进行控制，从而完成对电动扳手的转动操作，快速、精密地对电机转速与待紧固螺丝的施工扭矩进行控制，有效提高对螺丝紧固的效果。
具体地，所述滤波单元为二阶低通滤波器，所述滤波单元所采用的传递函数Gs(s)满足：
Figure BDA0002804737780000081
其中，Tf为滤波器系数，s为拉普拉斯变换算子。
所述电机中电磁转矩所采用的控制公式满足：
Mm(t)＝Cmia(t)，
其中，Mm(t)为电机电枢的电磁转矩，Cm是电机转矩系数，ia(t)为电机电流。
所述电机中电动机轴的转矩平衡公式为：
Figure BDA0002804737780000091
其中，ωm(t)为电机转速，Mc(t)是折合到电机轴上的总负载转矩，fm为电机和负载折合到电机轴上的黏性摩擦系数，Jm为电机和负载折合到电机轴上的转动惯量。
对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制以满足：
Mm(t)＝M1m(t)+M2m(t)，
M1m(t)＝Cmi1a(t)，
M2m(t)＝Cmi2a(t)，
其中，M1m(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的转矩，M2m(t)为电机输出的工作扭矩，i1a(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的电流，i2a(t)为电机输出的工作扭矩所需要的电流。
结合电机中电动机轴的转矩平衡公式，通过控制公式
Figure BDA0002804737780000092
Figure BDA0002804737780000093
M2m(t)＝Mc(t)分别控制电机转速与电机输出的工作扭矩。
所述待紧固螺丝的施工扭矩Tm(t)与电机输出的工作扭矩M2m(t)的关系满足一阶惯性环节，即
Figure BDA0002804737780000094
其中，T1为传动滞后系数，Ck为传动末端扭矩系数，s为拉普拉斯变换算子，Tm(s)为Tm(t)的拉普拉斯变换，M2m(s)为M2m(t)的拉普拉斯变换。
所述速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值Pref和速度扭矩反馈值Pfb分别满足以下公式：
Pref＝w1*Speedref+w2*Torqueref；
Pfb＝w1*Speedfb+w2*Torquefb；
其中，w1为速度权重系数，w2为扭矩权重系数，Speedref为当前工艺阶段电机转速，Torqueref为当前工艺阶段待紧固螺丝的施工扭矩，Speedfb为当前工艺阶段电机转速反馈值，Torquefb为当前工艺阶段待紧固螺丝的施工扭矩反馈值；本实施例中，螺丝紧固系统所采取的装配工艺流程包括寻帽阶段、搜索阶段、预拧紧阶段、反转阶段及最终拧紧阶段，其中，当前工艺阶段为寻帽阶段、搜索阶段、预拧紧阶段、反转阶段或最终拧紧阶段，Speedref、Torqueref分别在螺丝紧固系统的不同工艺阶段设定的不同参考值，Speedfb、Torquefb为对应工艺阶段的反馈值，w1、w2的值在螺丝紧固系统的不同工艺阶段可设定为不同值，预拧紧阶段用于对待拧紧螺丝完成一次拧紧操作，最终拧紧阶段用于对待拧紧螺丝完成二次拧紧操作，在不同的工艺阶段下，设置不同的Torqueref和Speedref，如在搜索阶段，Speedref设置为电机最大输出转速，Torqueref设置为克服螺纹间摩擦所需要的施工扭矩，在最终拧紧阶段，Speedref设置为0，Torqueref设置为待紧固螺丝在最终拧紧阶段需要达到的施工扭矩。
速度给定单元和扭矩给定单元分别通过以下公式生成电机转速Speedref和待紧固螺丝的施工扭矩Torqueref：
Figure BDA0002804737780000101
Figure BDA0002804737780000102
Va＝Sa*Ts
Ka＝Ta*Ts，
其中，Ts为采样周期，Sref为当前工艺阶段的目标速度，具体地，Sref根据当前工艺阶段分别设置为第一目标速度、第二目标速度、第三目标速度、第四目标速度或第五目标速度，第二目标速度包括第一附加目标速度及第二附加目标速度；Sa为当前工艺阶段的目标加速度，具体地，Sa根据当前工艺阶段分别设置为第一加速度、第二加速度、第三加速度、第四加速度或第五加速度；V为上一采样周期生成的Speedref，Tref为当前工艺阶段的目标扭矩，具体地，Tref根据当前工艺阶段分别设置为第一目标扭矩、第二目标扭矩、第三目标扭矩、第四目标扭矩或第五目标扭矩，第二目标扭矩包括第一附加目标扭矩和第二附加目标扭矩；Ta为当前工艺阶段的扭矩加速度，具体地，Ta根据当前工艺阶段分别设置为第一扭矩加速度、第二扭矩加速度、第三扭矩加速度、第四扭矩加速度或第五扭矩加速度；T为上一采样周期生成的Torqueref，由于螺丝紧固系统采用的是离散控制方式，上一采样周期具体表示为当前控制周期的前一个控制周期。
本发明具体工作时，螺丝紧固系统启动，螺丝紧固系统处于寻帽阶段时，设置w1＝1，w2＝0，Sref设置为第一目标速度，Sa设置为第一加速度，Tref设置为第一目标扭矩，电动板手转动匹配螺丝帽，完成寻帽阶段工序；扭矩传感器检测到待紧固螺丝的施工扭矩到达第一目标扭矩时，进入搜索阶段，当螺丝紧固系统处于搜索阶段时，设置w1＝1，w2＝1，Sref设置为第一附加目标速度，Sa设置为第二加速度，Tref设置为第一附加目标扭矩，Ta设置为第二扭矩加速度，电动板手带动待紧固螺丝开始拧转，扭矩传感器检测到待紧固螺丝的施工扭矩到达第一附加目标扭矩时，待紧固螺丝的螺丝帽处于刚碰到基材表面的状态；设置w1＝1，w2＝0，Sref设置为第二附加目标速度，继续扭转待紧固螺丝并逐渐与基材进行贴合，直至扭矩传感器检测到待紧固螺丝的施工扭矩达到第二附加目标扭矩时，完成搜索阶段工序；继续扭转待紧固螺丝，当扭矩传感器检测到待紧固螺丝的施工扭矩达到第三目标扭矩的一半时，进入预拧紧阶段，当螺丝紧固系统处于预拧紧阶段时，设置w1＝0，w2＝1，Sa为第三加速度，Sref为第三目标速度，Tref为第三目标扭矩，Ta为第三扭矩加速度，待紧固螺丝继续拧转完成第一次拧紧工序；扭矩传感器检测到待紧固螺丝的施工扭矩达到第三目标扭矩的95％时，进入反转阶段，当螺丝紧固系统处于反转阶段时，设置w1＝0，w2＝1，Sa为第四加速度，Sref为第四目标速度，Tref为第四目标扭矩，Ta为第四扭矩加速度，螺丝反转，完成反转阶段工序；扭矩传感器检测到待紧固螺丝的施工扭矩降到第四目标扭矩的10％或电机反向旋转半圈时，进入最终拧紧阶段，当螺丝紧固系统处于最终拧紧阶段时，设置w1＝0，w2＝1，Sa为第五加速度，Sref为第五目标速度，Tref为第五目标扭矩，Ta为第五扭矩加速度，螺丝继续拧转完成第二次拧紧，当扭矩传感器检测到待紧固螺丝的施工扭矩达到第五目标扭矩的95％，保持一段时间后，扳手停止工作，完成对待紧固螺丝的紧固操作，本发明通过对待紧固螺丝的施工扭矩及电机转速同时进行控制，减小冲击扭矩，保证更高的扭矩精度，有效提高对螺丝的拧紧效果。
根据上述本发明一种螺丝紧固系统，本发明提供一种螺丝紧固方法，该方法中涉及的速度给定单元、扭矩给定单元、滤波单元、速度扭矩控制单元、速度扭矩反馈单元、电流控制单元、速度权重单元、扭矩权重单元、电机、电流检测单元、速度传感器、扭矩传感器可以与上述一种螺丝紧固系统实施例阐述的技术特征相同，并能产生相同的技术效果。本发明一种螺丝紧固方法，通过设置速度扭矩控制单元、速度扭矩反馈单元及电流控制单元，对待紧固螺丝的施工扭矩及电机转速同时进行控制，减小冲击扭矩，保证更高的扭矩精度，有效提高对螺丝的拧紧效果。
本发明一种螺丝紧固方法，包括如下步骤：
步骤S110、确定装配工艺流程，设定目标速度和目标加速度，建立时间-速度工艺曲线；设定目标扭矩及扭矩加速度，建立时间-扭矩工艺曲线；
其中，所述确定装配工艺流程，设定目标速度和目标加速度，建立时间-速度工艺曲线；设定目标扭矩及目标扭矩加速度，建立时间-扭矩工艺曲线的方法，包括以下步骤：
寻帽阶段，设定第一目标速度和第一加速度，建立第一时间-第一速度工艺曲线；设定第一目标扭矩及第一扭矩加速度，建立第一时间-第一扭矩工艺曲线，完成电动扳手与螺丝帽之间的初始对接操作；
搜索阶段，设定第二目标速度和第二加速度，建立第二时间-第二速度工艺曲线；设定第二目标扭矩及第二扭矩加速度，建立第二时间-第二扭矩工艺曲线，完成电动扳手与螺丝帽之间的最终对接及高速旋进操作；
预拧紧阶段，设定第三目标速度和第三加速度，建立第三时间-第三速度工艺曲线；设定第三目标扭矩及第三扭矩加速度，建立第三时间-第三扭矩工艺曲线，完成电动扳手对螺丝的初步拧紧操作；
反转阶段，设定第四目标速度和第四加速度，建立第四时间-第四速度工艺曲线；设定第四目标扭矩及第四扭矩加速度，建立第四时间-第四扭矩工艺曲线，反向转动电动扳手半圈，完成对螺丝的松动操作，以消除预紧力，提高螺丝的使用寿命；
最终拧紧阶段，设定第五目标速度和第五加速度，建立第五时间-第五速度工艺曲线；设定第五目标扭矩及第五扭矩加速度，建立第五时间-第五扭矩工艺曲线，完成电动扳手对螺丝的最终拧紧操作。
其中，目标速度包括第一目标速度、第二目标速度、第三目标速度、第四目标速度或第五目标速度，目标加速度包括第一加速度、第二加速度、第三加速度、第四加速度或第五加速度，第一时间-第一扭矩工艺曲线、第二时间-第二速度工艺曲线、第三时间-第三速度工艺曲线、第四时间-第四速度工艺曲线及第五时间-第五速度工艺曲线共同组成时间-速度工艺曲线；第一时间-第一扭矩工艺曲线、第二时间-第二扭矩工艺曲线、第三时间-第三扭矩工艺曲线、第四时间-第四扭矩工艺曲线及第五时间-第五扭矩工艺曲线共同组成时间-扭矩工艺曲线。
步骤S120、对时间-速度工艺曲线及时间-扭矩工艺曲线之和进行滤波处理，获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值；其中，所述对时间-速度工艺曲线及时间-扭矩工艺曲线之和进行滤波处理所采用的控制公式为：
C＝K1*C1+(1-K1)*C2；
其中，C为滤波输出，K1为滤波系数，C1为上一采样周期输出，C2为当前采样周期输入，上一采样周期具体表示为当前控制周期的前一个控制周期，当前采样周期具体表示为当前控制周期。
所述对时间-速度工艺曲线及时间-扭矩工艺曲线之和进行滤波处理，获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值的方法，包括如下步骤，
速度给定单元和扭矩给定单元分别通过以下公式生成电机转速Speedref和待紧固螺丝的施工扭矩Torqueref：
Figure BDA0002804737780000141
Figure BDA0002804737780000142
Va＝Sa*Ts
Ka＝Ta*Ts，
其中，Ts为采样周期，Sref为当前工艺阶段的目标速度，Sa为当前工艺阶段的目标加速度，V为上一采样周期生成的Speedref，Tref为当前工艺阶段的目标扭矩，Ta为当前工艺阶段的扭矩加速度，T为上一采样周期生成的Torqueref。
根据速度权重系数w1及扭矩权重系数w2获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值Pref：
Pref＝w1*Speedref+w2*Torqueref，其中，Torqueref为当前工艺阶段过程中所需要的待紧固螺丝的施工扭矩，Speedref为当前工艺阶段过程中电机转速。
步骤S130、获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值，所述获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值的方法，包括如下步骤，
扭矩传感器对待紧固螺丝的施工扭矩进行检测；
速度传感器对电机转速进行检测；
根据速度权重系数w1及扭矩权重系数w2获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值Pfb：
Pfb＝w1*Speedfb+w2*Torquefb，其中，Speedfb为当前工艺阶段过程中电机转速反馈值，Torquefb为当前工艺阶段过程中待紧固螺丝的施工扭矩反馈值。
步骤S140、根据速度扭矩输入值与速度扭矩反馈值的偏差获得电流控制单元的电流给定值Iref；
步骤S150、通过电流给定值Iref与电流反馈值Ifb的偏差获得电机控制的电压值，其中，电流反馈值Ifb通过电流检测单元对电机电流进行检测获得；
步骤S160、根据电机控制的电压值结合电磁转矩控制公式、电机中电动机轴的转矩平衡公式对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制，并根据电机输出的工作扭矩M2m(t)获取待紧固螺丝的施工扭矩Tm(t)，完成对待紧固螺丝的紧固操作。
其中，所述电机中电磁转矩所采用的控制公式满足：
Mm(t)＝Cmia(t)，
其中，Mm(t)为电机电枢的电磁转矩，Cm是电机转矩系数，ia(t)为电机电流。
所述电机中电动机轴的转矩平衡公式为：
Figure BDA0002804737780000151
其中，ωm(t)为电机转速，Mc(t)是折合到电机轴上的总负载转矩，fm为电机和负载折合到电机轴上的黏性摩擦系数，Jm为电机和负载折合到电机轴上的转动惯量。
对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制以满足：
Mm(t)＝M1m(t)+M2m(t)，
M1m(t)＝Cmi1a(t)，
M2m(t)＝Cmi2a(t)，
其中，M1m(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的转矩，M2m(t)为电机输出的工作扭矩，i1a(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的电流，i2a(t)为电机输出的工作扭矩所需要的电流。
结合电机中电动机轴的转矩平衡公式，通过控制公式
Figure BDA0002804737780000161
Figure BDA0002804737780000162
M2m(t)＝Mc(t)分别控制电机转速与电机输出的工作扭矩。
在其中一个实施例中，所述待紧固螺丝的施工扭矩Tm(t)与电机输出的工作扭矩M2m(t)的关系满足一阶惯性环节，即
Figure BDA0002804737780000163
其中，T1为传动滞后系数，Ck为传动末端扭矩系数，s为拉普拉斯变换算子，Tm(s)为Tm(t)的拉普拉斯变换，M2m(s)为M2m(t)的拉普拉斯变换。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种螺丝紧固系统，其特征在于：包括速度给定单元、扭矩给定单元、滤波单元、速度扭矩控制单元、速度扭矩反馈单元、电流控制单元、速度权重单元、扭矩权重单元、电机、电流检测单元、速度传感器、扭矩传感器，所述速度给定单元用于设定目标速度和目标加速度生成时间-速度曲线，所述扭矩给定单元用于设定目标扭矩和扭矩加速度生成时间-扭矩曲线，所述速度权重单元用于预设速度权重系数，所述扭矩权重单元用于预设扭矩权重系数，所述速度权重单元分别与滤波单元输入端及速度扭矩反馈单元输入端连接，所述扭矩权重单元分别与滤波单元输入端及速度扭矩反馈单元输入端连接，所述滤波单元输出端及速度扭矩反馈单元输出端分别与速度扭矩控制单元连接，所述滤波单元用于提供速度扭矩输入值给速度扭矩控制单元，所述速度扭矩反馈单元用于提供速度扭矩反馈值给速度扭矩控制单元，所述速度给定单元与速度权重单元连接，所述扭矩给定单元与扭矩权重单元连接；
所述电机一端连接有电动扳手，所述速度传感器输入端、扭矩传感器输入端及电流检测单元输入端分别与电机连接，所述速度传感器用于对电机转速进行检测，所述扭矩传感器用于对待紧固螺丝的施工扭矩进行检测，所述电流检测单元用于对电机电流进行检测并获得电流反馈值，所述速度传感器的输出端与速度权重单元连接，所述扭矩传感器的输出端与扭矩权重单元连接，所述电流检测单元的输出端与电流控制单元连接并提供电流反馈值给电流控制单元；所述速度扭矩控制单元与电流控制单元连接，所述电流控制单元与电机连接，所述速度扭矩控制单元根据速度扭矩输入值与速度扭矩反馈值的偏差获得电流控制单元的电流给定值，所述电流控制单元通过电流给定值与电流反馈值的偏差获得电机控制的电压值。
2.根据权利要求1所述的一种螺丝紧固系统，其特征在于，所述速度扭矩反馈单元根据电机转速及速度权重系数与扭矩传感器检测到的待紧固螺丝的施工扭矩及扭矩权重系数获取到速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值。
3.根据权利要求1所述的一种螺丝紧固系统，其特征在于，所述滤波单元为二阶低通滤波器，所述滤波单元所采用的传递函数Gs(s)满足：
Figure FDA0002804737770000011
其中，Tf为滤波器系数，s为拉普拉斯变换算子。
4.根据权利要求1所述的一种螺丝紧固系统，其特征在于，所述电机中电磁转矩所采用的控制公式满足：
Mm(t)＝Cmia(t)，
其中，Mm(t)为电机电枢的电磁转矩，Cm是电机转矩系数，ia(t)为电机电流；
所述电机中电动机轴的转矩平衡公式为：
Figure FDA0002804737770000021
其中，ωm(t)为电机转速，Mc(t)是折合到电机轴上的总负载转矩，fm为电机和负载折合到电机轴上的黏性摩擦系数，Jm为电机和负载折合到电机轴上的转动惯量；
对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制以满足：
Mm(t)＝M1m(t)+M2m(t)，
M1m(t)＝Cmi1a(t)，
M2m(t)＝Cmi2a(t)，
其中，M1m(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的转矩，M2m(t)为电机输出的工作扭矩，i1a(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的电流，i2a(t)为电机输出的工作扭矩所需要的电流；
结合电机中电动机轴的转矩平衡公式，通过控制公式
Figure FDA0002804737770000022
Figure FDA0002804737770000023
M2m(t)＝Mc(t)分别控制电机转速与电机输出的工作扭矩；
所述待紧固螺丝的施工扭矩Tm(t)与电机输出的工作扭矩M2m(t)的关系满足一阶惯性环节，即
Figure FDA0002804737770000024
其中，T1为传动滞后系数，Ck为传动末端扭矩系数，s为拉普拉斯变换算子，Tm(s)为Tm(t)的拉普拉斯变换，M2m(s)为M2m(t)的拉普拉斯变换。
5.根据权利要求1所述的一种螺丝紧固系统，其特征在于，所述速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值Pref和速度扭矩反馈值Pfb分别满足以下公式：
Pref＝w1*Speedref+w2*Torqueref；
Pfb＝w1*Speedfb+w2*Torquefb；
其中，w1为速度权重系数，w2为扭矩权重系数，Speedref为当前工艺阶段电机转速，Torqueref为当前工艺阶段待紧固螺丝的施工扭矩，Speedfb为当前工艺阶段电机转速反馈值，Torquefb为当前工艺阶段待紧固螺丝的施工扭矩反馈值；螺丝紧固系统所采取的装配工艺流程包括寻帽阶段、搜索阶段、预拧紧阶段、反转阶段及最终拧紧阶段，其中，当前工艺阶段为寻帽阶段、搜索阶段、预拧紧阶段、反转阶段或最终拧紧阶段。
6.一种螺丝紧固方法，其特征在于，包括：
步骤S110、确定装配工艺流程，设定目标速度和目标加速度，建立时间-速度工艺曲线；设定目标扭矩及扭矩加速度，建立时间-扭矩工艺曲线；
步骤S120、对时间-速度工艺曲线及时间-扭矩工艺曲线之和进行滤波处理，获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值；
步骤S130、获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值；
步骤S140、根据速度扭矩输入值与速度扭矩反馈值的偏差获得电流控制单元的电流给定值Iref；
步骤S150、通过电流给定值Iref与电流反馈值Ifb的偏差获得电机控制的电压值，其中，电流反馈值Ifb通过电流检测单元对电机电流进行检测获得；
步骤S160、根据电机控制的电压值结合电磁转矩控制公式、电机中电动机轴的转矩平衡公式对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制，并根据电机输出的工作扭矩获取待紧固螺丝的施工扭矩，完成对待紧固螺丝的紧固操作。
7.根据权利要求6所述的一种螺丝紧固方法，其特征在于，所述确定装配工艺流程，设定目标速度和目标加速度，建立时间-速度工艺曲线；设定目标扭矩及目标扭矩加速度，建立时间-扭矩工艺曲线的方法，包括以下步骤：
寻帽阶段，设定第一目标速度和第一加速度，建立第一时间-第一速度工艺曲线；设定第一目标扭矩及第一扭矩加速度，建立第一时间-第一扭矩工艺曲线；
搜索阶段，设定第二目标速度和第二加速度，建立第二时间-第二速度工艺曲线；设定第二目标扭矩及第二扭矩加速度，建立第二时间-第二扭矩工艺曲线；
预拧紧阶段，设定第三目标速度和第三加速度，建立第三时间-第三速度工艺曲线；设定第三目标扭矩及第三扭矩加速度，建立第三时间-第三扭矩工艺曲线；
反转阶段，设定第四目标速度和第四加速度，建立第四时间-第四速度工艺曲线；设定第四目标扭矩及第四扭矩加速度，建立第四时间-第四扭矩工艺曲线；
最终拧紧阶段，设定第五目标速度和第五加速度，建立第五时间-第五速度工艺曲线；设定第五目标扭矩及第五扭矩加速度，建立第五时间-第五扭矩工艺曲线；
其中，目标速度包括第一目标速度、第二目标速度、第三目标速度、第四目标速度或第五目标速度，目标加速度包括第一加速度、第二加速度、第三加速度、第四加速度或第五加速度，第一时间-第一扭矩工艺曲线、第二时间-第二速度工艺曲线、第三时间-第三速度工艺曲线、第四时间-第四速度工艺曲线及第五时间-第五速度工艺曲线共同组成时间-速度工艺曲线；第一时间-第一扭矩工艺曲线、第二时间-第二扭矩工艺曲线、第三时间-第三扭矩工艺曲线、第四时间-第四扭矩工艺曲线及第五时间-第五扭矩工艺曲线共同组成时间-扭矩工艺曲线。
8.根据权利要求6所述的一种螺丝紧固方法，其特征在于，所述步骤S160中电机中电磁转矩所采用的控制公式满足：
Mm(t)＝Cmia(t)，
其中，Mm(t)为电机电枢的电磁转矩，Cm是电机转矩系数，ia(t)为电机电流。
所述电机中电动机轴的转矩平衡公式为：
Figure FDA0002804737770000041
其中，ωm(t)为电机转速，Mc(t)是折合到电机轴上的总负载转矩，fm为电机和负载折合到电机轴上的黏性摩擦系数，Jm为电机和负载折合到电机轴上的转动惯量。
对电机转速与电机输出的工作扭矩分别进行控制以满足：
Mm(t)＝M1m(t)+M2m(t)，
M1m(t)＝Cmi1a(t)，
M2m(t)＝Cmi2a(t)，
其中，M1m(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的转矩，M2m(t)为电机输出的工作扭矩，i1a(t)为电机旋转过程中保持转速所需要的电流，i2a(t)为电机输出的工作扭矩所需要的电流；
所述待紧固螺丝的施工扭矩Tm(t)与电机输出的工作扭矩M2m(t)的关系满足一阶惯性环节，即
Figure FDA0002804737770000051
其中，T1为传动滞后系数，Ck为传动末端扭矩系数，s为拉普拉斯变换算子，Tm(s)为Tm(t)的拉普拉斯变换，M2m(s)为M2m(t)的拉普拉斯变换。
结合电机中电动机轴的转矩平衡公式，通过控制公式
Figure FDA0002804737770000052
Figure FDA0002804737770000053
M2m(t)＝Mc(t)分别控制电机转速与电机输出的工作扭矩。
9.根据权利要求6所述的一种螺丝紧固方法，其特征在于，所述对时间-速度工艺曲线及时间-扭矩工艺曲线之和进行滤波处理，获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值的方法，包括如下步骤，
速度给定单元和扭矩给定单元分别通过以下公式生成电机转速Speedref和待紧固螺丝的施工扭矩Torqueref：
Figure FDA0002804737770000054
Figure FDA0002804737770000055
Va＝Sa*Ts
Ka＝Ta*Ts，
其中，Ts为采样周期，Sref为当前工艺阶段的目标速度，Sa为当前工艺阶段的目标加速度，V为上一采样周期生成的Speedref，Tref为当前工艺阶段的目标扭矩，Ta为当前工艺阶段的扭矩加速度，T为上一采样周期生成的Torqueref。
根据速度权重系数w1及扭矩权重系数w2获取速度扭矩控制单元的速度扭矩输入值Pref：
Pref＝w1*Speedref+w2*Torqueref，其中，Torqueref设置为当前工艺阶段过程中所需要的待紧固螺丝的施工扭矩，Speedref设置为当前工艺阶段过程中电机转速。
10.根据权利要求6所述的一种螺丝紧固方法，其特征在于，所述获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值的方法，包括如下步骤，
扭矩传感器对待紧固螺丝的施工扭矩进行检测；
速度传感器对电机转速进行检测；
根据速度权重系数w1及扭矩权重系数w2获取速度扭矩控制单元的速度扭矩反馈值Pfb：
Pfb＝w1*Speedfb+w2*Torquefb，其中，Speedfb为当前工艺阶段过程中电机转速反馈值，Torquefb为当前工艺阶段过程中待紧固螺丝的施工扭矩反馈值。
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