CN114290276A

CN114290276A - 扭矩控制工具

Info

Publication number: CN114290276A
Application number: CN202111134850.7A
Authority: CN
Inventors: M·T·麦克朗; T·R·库珀; W·A·塞斯; D·E·派勒斯
Original assignee: Ingersoll Rand Industrial US Inc
Current assignee: Ingersoll Rand Industrial US Inc
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2022-04-08
Also published as: US20220105611A1; EP3981549B1; EP3981549A1

Abstract

提供了一种电动工具和确定扭矩的方法。确定扭矩的方法是使用由驱动机构输出的能量以及输出轴的旋转角度来估测扭矩。通过从驱动机构的标称能量中减去效率损失(或增益)来确定能量，从而改善扭矩估测。

Description

扭矩控制工具

技术领域

本发明涉及扭矩工具，更具体地，本发明涉及确定由电动工具施加到紧固件上的扭矩。

背景技术

扭矩工具通常在工业环境中用于将紧固件拧紧至规定扭矩。然而，对于电动工具施加到紧固件上的实际扭矩的确定可能是困难且不准确的。虽然对于所有电动工具来说，确定所施加的实际扭矩都是困难的，但是尤其难以准确地确定的是冲击扳手施加到紧固件上的实际扭矩。另一方面，与其他扭矩工具相比，冲击扳手具有几个优点，包括体积紧凑，工具重量轻且成本低。因此，需要用于精确地确定施加到紧固件上的扭矩的改进的技术。

发明内容

本发明描述了一种具有扭矩控制的改进的电动工具。该电动工具通过测量紧固件的旋转角度以及该工具通过旋转角度来旋转紧固件所消耗的能量来估测施加到紧固件上的扭矩。该电动工具通过考虑驱动机构所消耗的能量的效率(这可能会导致更少(或更多)的能量传递至紧固件)来对扭矩估测进行改进。本发明还可以包括以下书面描述或附图及其任何组合中所描述的任何其他方面。

附图说明

通过结合附图阅读以下描述，可以更全面地理解本发明，其中:

图1是冲击扳手的示意图；以及

图2是显示旋转角度、扭矩和能量之间的关系的图。

具体实施方式

对涉及离散冲击的紧固操作所产生的施加至接头的扭矩的估测可以利用对于接头的角位置以及每次冲击时接头的角位置的变化的测量值。这一信息可以与冲击机构在冲击前后的能量的知识相结合。理想状况下，如果测量给定冲击中离开工具的能量，平均扭矩与接头角度变化的乘积将会等于能量输出。因此，如果接头的角度变化和每次冲击期间离开工具的能量都是已知的，则可以估测接头扭矩。也就是说，对于特定的冲击，所估估计的平均接头扭矩可以由离开工具的能量除以螺纹接头角位置的变化来确定。然而，需要注意的是，涉及关于接头扭矩-角度特性的假设的其他方案也可以与角度和能量测量相结合使用来估测接头扭矩。

角位置传感器可以设置在冲击扳手的砧座和锤子上，以用于在紧固件拧紧操作期间，确定工具的输出轴的角位移的变化。这允许使用接头的角位置的近似值，并且通过区分锤子的角位置，提供冲击前后锤子的角速度的估测。而后，速度变化可用于确定撞击期间能量的变化。也就是说，由于冲击力，锤子的速度将会变慢，这表示在冲击过程中能量从锤子传递至输出轴。

各种传感器可用于改善扭矩估测。陀螺仪是一种在计算接头的角位移时可用于补偿工具的角运动的传感器。陀螺仪也可用于提供外壳速度信息。撞击后外壳速度的突然变化表明能量从机构传递至外壳。优选地，该能量应当从假定用于拧紧接头的能量中减去。除了追踪冲击锤的能量变化之外，各种其他的传感器也可用于基于所追踪的能量变化来改进接头扭矩估测。也就是说，可以使用附加的和/或替代的传感器来捕获损耗的且没有传递至接头的其他能量。例如，热电偶可用于测量电动工具的元件的温度，从而追踪由冲击引起的热能变化。这对于冲击构件本身特别有价值，但也可以扩展至工具的其他部分。还可以对加速度计信号进行积分以确定各种部件的速度，从而允许对于与运动和振动相关的能量进行确定。也可以将加速度的频率分析与峰值和分析模态分析相结合使用，以确定由冲击激发的振动模式中的能量。其他的位置传感器(例如，角度位置传感器和线性位置传感器)也可用于测量工具部件的变形以及由此产生的势能。应变仪可用于类似目的。其他可以使用的传感器包括扭矩传感器，马达编码器/分解器以及电流探头和电压探头。虽然上述传感器可以用于改进的扭矩估测，但是应当理解的是，许多其他的传感器也可用于估测能量变化。虽然本文中改进的扭矩测量方法对于例如冲击扳手这样的离散能量工具特别有用，但是应当理解的是，本文所描述的能量追踪和角度测量方法同样可以应用于连续能量输送工具。

转到图1，该图示出了电动工具10的示意图。尽管可以理解的是，本发明可以应用于其他电动工具，但是图1的示意图涉及冲击扳手10。与传统的冲击扳手相同，扳手10具有马达12，马达12使得驱动轴14旋转，驱动轴14驱动冲击驱动机构16。应当理解的是，可以使用各种类型的马达和驱动机构。然而，在优选的实施例中，马达12是电动马达12，并且驱动机构16是具有钳口18的锤机构16，钳口18与输出轴22近端上的砧座20接合和脱离。电动工具10还包括包围马达12和驱动机构16的工具外壳24。套筒26可以设置在输出轴22的远端上，以接合螺纹接头的螺母28。

如图2所示，通过套筒26施加到螺母28上的扭矩可以通过了解在驱动机构26对输出轴22的单次冲击期间输出轴22的旋转角度，以及在旋转角度内驱动机构26传递至输出轴22的能量来确定。基于已知的旋转角度和传递的能量，施加到螺母28上的扭矩可以由以下公式确定：

T＝E_H/AR

其中，T是施加至螺母28的估测扭矩，E_H是锤16(即驱动机构16)在冲击前后的能量变化，AR是冲击期间螺母28的角位移。估测扭矩也可称为残余扭矩，其是电动工具10完成对紧固件的紧固之后(或在中间紧固步骤)螺母28或紧固件的扭矩值。优选地，电动工具10设置有可以由用户调节的预设扭矩设置。在使用中，当施加至螺母28的估测扭矩T满足用于确保螺母28的正确紧固的预设扭矩设置时，可以切断马达12的电源。

虽然上述公式可以用作对于施加至紧固件28的扭矩的基本估测，但是该公式假设从驱动机构16到螺母28的能量传递是完美的，并且没有考虑这种能量传递的效率。因此，改进的公式将基于改变传递至螺母28的实际能量的能量损失(或贡献)来调整能量值。因此，上述公式中的能量值可以使用以下公式所确定的实际能量来代替：

E_Actual＝E_H–E_V–E_M–E_T–E_S

其中，E_Actual是传递至螺母28的实际能量的估测值，其可以在上面的公式中用于确定估测的施加扭矩，E_H是锤16的能量变化，其可以是上面的基本公式中所使用的相同值，E_V是与冲击相关联的工具振动的能量，E_M是冲击期间工具运动的能量，E_T是冲击期间温度变化的能量，并且E_S是由冲击引起的工具声音的能量。如果需要，也可以根据扭矩传递的效率对上述公式进行重新表征(例如，使用其他数学运算符)。例如，能量损失(或能量差)也可以通过锤的能量E_H乘效率因数来确定。来自工具上的一个或多个传感器的传感器数据可用于确定操作工具时锤的单次击打的效率因数。例如，使用工具的先前测试，可以对传感器所产生的数据和效率因数之间的效率相关性进行公式化。进而，效率相关性可以存储在工具上，并应用于工具使用期间所产生的传感器数据，从而提供效率因数，该效率因数可以基于变化的传感器数据，根据使用的工具而变化。应当理解的是，虽然工具振动和工具运动可以彼此相关，但是工具振动的频率通常是冲击频率的倍数，而工具运动可以是不被认为是振动的其他工具运动。

可以使用各种传感器对上述的各个能量值进行能量估测。因此，上面的能量公式可以根据可用于估测能量损失(或贡献)的传感器来进行重写，该能量损失(或贡献)将从锤16的能量中减去。因此，重写的公式可以是：

E_Actual＝E_H–E_A–E_St–E_G–E_I–E_Vlt–E_TT–E_E–E_Tc–E_AP

其中，E_Actual和E_H如上所述，E_A是从加速度计中确定的能量，E_St是从应变仪中确定的能量，E_G是从陀螺仪中确定的能量，E_I是从电流探头中确定的能量，E_Vlt是从电压探头中确定的能量，E_TT是从扭矩传感器中确定的能量，E_Tc是从热电偶中确定的能量，E_AP是从气压传感器(例如麦克风)中确定的能量。

应当理解的是，上述公式可以根据特定电动工具的需要进行修改。例如，可以将因数应用于一个或多个能量值，其中确定的是，与状态或传感器相关联的估测能量中仅有一部分可归因于从驱动机构16传递至输出轴22的能量损失(或贡献)。也有可能在实际能量估测中包括更少或更多数量的状态或传感器。也可以在电动工具10的各种位置使用相同类型的多个传感器，从而改善实际能量估测。此外，可以一起使用多个传感器来确定特定的能量估测。

图1中所示的是可用于估测能量损失(或贡献)的传感器的示例。一种可以使用的传感器是加速度计30，32。加速度计30，32可以位于驱动机构16和/或工具外壳24上。加速度计30，32可用于确定在驱动机构16和/或工具外壳24上所测量到的振动能量或运动能量。另一种可以使用的传感器是应变仪34。应变仪34可以位于工具外壳24上，以确定在工具外壳24上所测量到的振动能量或运动能量。另一种可以使用的传感器是陀螺仪36。陀螺仪36可以位于工具外壳24上，以确定在工具外壳24上所测量到的运动能量或振动能量。另一种可以使用的传感器是电流探头38。电流探头38可以电连接至马达12，以测量马达12的电流，该电流可用于确定运动能量或振动能量。另一种可以使用的传感器是电压探头40。电压探头40可以电连接至马达12，以测量马达12的电压，该电压可用于确定运动能量或振动能量。应当理解的是，电流探头38和电压探头40也可以一起用于确定马达12的功率，该功率也可用于确定运动能量或振动能量。另一种可以使用的传感器是扭矩传感器42。扭矩传感器42可以位于马达12上，以测量马达12在驱动轴14上或马达12外壳上的扭矩，从而确定运动能量或振动能量。另一种可以使用的传感器是编码器44、46、48。编码器44、46、48可以位于的输出轴22上的靠近远端的位置，输出轴22上的靠近近端的位置，和/或驱动机构16上。编码器44之间的任何角位置差可用于确定运动能量或振动能量。应当理解的是，编码器44、46、48也可用于确定如上所述的锤的能量E_H(尤其是位于驱动机构上的编码器48)和如上所述的角位移AR(尤其是输出轴上的编码器44、46之一)。另一种可以使用的传感器是热电偶50。热电偶50可以位于输出轴22附近(包括靠近输出轴衬套)，以确定温度能量。另一种可以使用的传感器是气压传感器52。气压传感器52(例如麦克风52)可以位于工具外壳24上，以确定由驱动机构16产生的声音能量。应当理解的是，如果需要，传感器可以用于确定不止一种类型的能量(例如，振动能量和运动能量)或者单一类型的能量。

虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是应当理解的是，本发明不限于此，并且可以在不脱离本发明的情况下进行修改。虽然在此描述的每个实施例可能仅提及某些特征，并且可能没有具体提及针对其他实施例所描述的每个特征，但是应该认识到的是，除非另有描述，否则这里描述的特征是可互换的，即使没有提及特定特征。还应当理解的是，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且不一定期望所描述的所有优点都将通过本发明的每个实施例来实现。本发明的范围由所附权利要求书来限定，并且在权利要求书的含义内的所有装置及方法，无论是字面上的还是等效的，都旨在包含于权利要求书中。

Claims

1.一种控制电动工具的方法，所述方法包括:

响应于驱动机构旋转输出轴，确定所述电动工具的所述输出轴的旋转角度；

确定所述电动工具的第一能量值，所述第一能量值是在所述旋转角度内所述驱动机构的能量变化；

确定所述电动工具的第二能量值，所述第二能量值是在所述旋转角度内所述电动工具的部件的能量；以及

基于所述第一能量值和所述第二能量值之间的能量差来确定由所述输出轴驱动的紧固件的残余扭矩。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括当所述残余扭矩满足预设扭矩设置时，关闭用于驱动所述驱动机构的电动马达。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述驱动机构在驱动所述输出轴通过所述旋转角度之前和之后的速度差来确定所述第一能量值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电动工具是冲击扳手。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二能量值是工具振动能量、工具运动能量、工具温度能量或工具声音能量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述工具振动能量由加速度计、应变仪、陀螺仪、马达电流探头、马达电压探头或扭矩传感器来确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述工具振动能量由所述加速度计确定，所述加速度计设置在用于驱动所述输出轴的驱动机构上。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述工具振动能量由所述加速度计确定，所述加速度计设置在包围用于驱动所述输出轴的驱动机构的工具外壳上。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述工具振动能量由所述应变仪确定，所述应变仪设置在包围用于驱动所述输出轴的驱动机构的工具外壳上。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述工具振动能量由所述陀螺仪确定，所述陀螺仪设置在包围用于驱动所述输出轴的驱动机构的工具外壳上。

11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述工具振动能量由所述马达电流探头和/或所述马达电压探头确定，所述马达电流探头和/或所述马达电压探头分别输出用于驱动驱动机构的电动马达的电流和电压，所述驱动机构用于驱动所述输出轴。

12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述工具振动能量由所述扭矩传感器确定，所述扭矩传感器输出用于驱动驱动机构的电动马达的扭矩，所述驱动机构用于驱动所述输出轴。

13.根据权利要求5所述的方法，其中，所述工具运动能量由编码器、陀螺仪、马达电流探头、马达电压探头、扭矩传感器、加速度计或应变仪来确定。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述工具运动能量由所述编码器确定，所述编码器设置在所述输出轴上。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述工具运动能量由所述陀螺仪确定，所述陀螺仪设置在包围用于驱动所述输出轴的驱动机构的工具外壳上。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述工具运动能量由所述马达电流探头和/或所述马达电压探头确定，所述马达电流探头和/或所述马达电压探头分别输出用于驱动驱动机构的电动马达的电流和电压，所述驱动机构用于驱动所述输出轴。

17.根据权利要求5所述的方法，其中，所述工具温度能量由热电偶确定。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述热电偶邻近于所述输出轴设置。

19.根据权利要求5所述的方法，其中，所述工具声音能量由气压传感器确定。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将所述第一能量值与效率因数相乘来确定所述第一能量和所述第二能量之间的能量差，所述效率因数是根据来自所述电动工具上的一个或多个传感器的传感器数据以及存储在所述工具上的所述传感器数据与所述效率因数之间的效率相关性来确定的。