CN116175459A - 一种电动冲击扳手定扭矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动冲击扳手定扭矩控制方法，包括以下步骤：步骤一，设定电动冲击扳手的冲击次数为N；步骤二，确定合适的冲击次数后通过双闭环转速控制模型修改电机转动速度，获取速度‑扭矩实验数据，拟合控制模型；步骤三，将拟合后的控制模型输入控制器，输入预设扭矩值，控制器解码出需要的电机转速，并检测冲击次数是否达标。本发明采用上述一种电动冲击扳手定扭矩控制方法，能够解决电动冲击扳手扭矩控制精度差的问题。

Description

一种电动冲击扳手定扭矩控制方法
技术领域
本发明涉及电动冲击扳手技术领域，尤其是涉及一种电动冲击扳手定扭矩控制方法。
背景技术
扳手工具作为紧固螺栓的常用工具广泛的存在于市场上，且电动冲击扳手以体积小，重量轻，输出扭矩灵活可调被广泛的应用于各行各业。但是由于电动冲击扳手本身的输出特性导致该类型扳手基本不具有扭矩控制能力。如：电动冲击扳手由直流无刷电机通过行星齿轮带动主轴旋转，主轴带动冲击块旋转，冲击块不断撞击板轴对外输出脉冲式扭矩。所以这就说明电动冲击扳手输出扭矩值并非连续稳定的力矩，而是一段又一段的脉冲扭矩累积起来的。这种特性的输出力矩导至基本没有有效的方案能够直接去检测其输出扭矩值或者相关参数形成精准的闭环控制。所以目前市面上大多数的电动冲击扳手都是没有扭矩控制能力的，工人往往也都是通过自身的经验来判断螺母是否被拧紧。虽说该类型电动工具一般被用来装配一些无扭矩精度要求的装配任务，但仍然存在着很大的安全隐患，有可能会对工程造成不可逆的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动冲击扳手定扭矩控制方法，解决电动冲击扳手扭矩控制精度差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种电动冲击扳手定扭矩控制方法，包括以下步骤：
步骤一，设定电动冲击扳手的冲击次数为N；
步骤二，确定合适的冲击次数后通过双闭环转速控制模型修改电机转动速度，获取速度-扭矩实验数据，拟合控制模型；
步骤三，将拟合后的控制模型输入控制器，输入预设扭矩值，控制器解码出需要的电机转速，并检测冲击次数是否达标。
优选的，步骤一中，使用冲击次数这一离散参数作为扳手的停止条件，电机转速作为扳手的扭矩调整参数，首先先确定冲击次数N，以N次冲击作为扳手的停止条件，由冲击次数传感器或者检测算法检测冲击次数达到N次之后便停止扳手运行，冲击次数N灵活可变，通过修改N值能够得到不同的转速-扭矩模型。
优选的，步骤二中，确定合适的冲击次数后通过双闭环转速控制模型修改电机转动速度，使用扭矩检定仪记录速度-扭矩数据，拟合出控制模型。
优选的，步骤三中，将拟合后的控制模型输入至控制器中后，通过输入扭矩范围内的任意扭矩值，在按下开关前控制器会解码得到对应的电机转速值，启动开关后，双闭环控速算法控制电机快速到达对应转速并保持相对恒定，冲击次数检测传感器或检测算法检测冲击次数至额定值后扳手停止工作。
优选的，双闭环转速控制模型以电流环作为内环，以转速环作为外环，内环用于改善系统稳定性，外环用于降低干扰，双闭环转速控制模型控制电机转速。
因此，本发明采用上述一种电动冲击扳手定扭矩控制方法，通过对冲击块、板轴碰撞模型推导出电动冲击扳手的输出扭矩值不仅和冲击次数相关，同时也与冲击块输入能量相关，冲击块输入能量由冲击块转速决定；然后推导冲击块转速和原电机之间存在着一定的关系，并以此为基础通过控制电机转速间接控制冲击块转速；其次在保证冲击次数一定的情况下通过实验数据拟合电机转速和扭矩值之间的关系曲线得到扭矩控制模型；最后由双闭环转速控制算法控制电机转速恒定，并以冲击次数作为扳手停止条件，在冲击次数达标之后停止工作，精确输出扭矩。本发明使用的控制方法利用了电动冲击扳手冲击次数能够精确检测的特点，也利用了转速作为输出扭矩值良好的修改特性，双闭环转速控制模型具有良好的响应速度和稳定性，通过双闭环转速控制算法能够精确输出扭矩。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明控扭方法实现的流程图；
图2表示本发明直流无刷电机双闭环转速控制的仿真模型；
图3表示本发明电动冲击扳手冲击机构中冲击块、板轴、以及损耗能量占比的变化趋势；
图4表示本发明电动冲击扳手在电机转速固定的情况下，累积扭矩值随冲击次数增长的变化趋势；
图5表示本发明电动冲击扳手在冲击次数固定的情况下，累积扭矩值随电机转速增长的变化趋势。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
图1是本发明控扭方法实现的流程图；图2表示本发明直流无刷电机双闭环转速控制的仿真模型；图3表示本发明电动冲击扳手冲击机构中冲击块、板轴、以及损耗能量占比的变化趋势；图4表示本发明电动冲击扳手在电机转速固定的情况下，累积扭矩值随冲击次数增长的变化趋势；图5表示本发明电动冲击扳手在冲击次数固定的情况下，累积扭矩值随电机转速增长的变化趋势。
如图所示，本发明所述的一种电动冲击扳手定扭矩控制方法，包括以下步骤：
步骤一，设定电动冲击扳手的冲击次数为N。电动冲击扳手的扭矩输出受到冲击次数和冲击块转速的影响。冲击次数作为离散信号具有很好的检测性，所以便以固定的冲击次数N作为扳手的停止条件，电机转速则作为扳手的扭矩调整参数。首先先确定冲击次数N，以N次冲击作为扳手的停止条件，由冲击次数传感器或者检测算法检测冲击次数达到N次之后便停止扳手运行，冲击次数N灵活可变，通过修改N值能够得到不同的转速-扭矩模型。因扭矩值随冲击次数增长而趋于稳定，所以N取较大时，控制精度较高。
双闭环转速控制模型以电流环作为内环，以转速环作为外环，内环用于改善系统稳定性，外环用于降低干扰。双闭环转速控制模型具有良好的响应速度和稳定性，为了提高该模型的控制精度，可以使用如模糊PID等算法进行电机转速控制。
步骤二，确定合适的冲击次数后通过双闭环转速控制模型修改电机转动速度，使用扭矩检定仪记录速度-扭矩数据，此时可以拟合出扭矩值随转速的变化趋势如图5所示，在该曲线中，扭矩值随转速呈现线性关系，具有非常好的控制性能。后拟合出控制模型。
步骤三，将拟合后的控制模型输入控制器，输入预设扭矩值，控制器解码出需要的电机转速，并检测冲击次数是否达标。将拟合后的控制模型输入至控制器中后，通过输入扭矩范围内的任意扭矩值，在按下开关前控制器会解码得到对应的电机转速值，启动开关后，双闭环控速算法控制电机快速到达对应转速并保持相对恒定，冲击次数检测传感器或检测算法检测冲击次数至额定值后扳手停止工作。
电动冲击扳手输出扭矩受到冲击次数和电机转速的综合影响，经过推导得出：电动冲击扳手输出扭矩值在电机转速不变情况下随冲击次数增长而趋于稳定，在冲击次数不变的情况下随电机转速增长呈现线性增长，该控制方法既利用了冲击次数能够精确检测的特点，也利用了转速作为输出扭矩值良好的修改特性。
电动冲击扳手的扭矩输出依赖于冲击块周期性的碰撞板轴形成冲击力矩，冲击力矩的大小受到冲击块旋转动能的影响。由于电机转速受到双闭环转速控制算法的作用始终保持恒定，那么每次冲击块输入动能不变。
并且每次冲击后板轴吸收的能量占输入能量比例为：
Figure SMS_1
K表示板轴和冲击块两碰撞体的恢复系数，A表示板轴等效惯量与冲击块的等效惯量之比。从公式中能够看出该比例关系会随着A的增大逐渐趋于0，这代表随着冲击次数的增加，板轴不再吸收能量。
板轴吸收能量传递至螺母，螺母的累积扭矩值为：
Figure SMS_2
由于电机转速是固定值，所以Ei是定值。α，β与套筒以及螺母之间的扭矩刚度和收紧刚度相关，为固定值。从公式中能够看出累积扭矩值与冲击次数以及冲击块动能相关，并且每一次的扭矩增长都是在上一次的累积扭矩的基础上变化的。而且整体的增长趋势为一条指数型曲线，随着累积次数的增加会不断的趋于稳定。
ωz，ωc分别表示主轴转速以及冲击块转速，t表示一个冲击周期。
ωzt＝ωct
在一个冲击周期内，虽然主轴和冲击块在瞬间转速并不相同，但是由于冲击块由主轴通过人字槽与钢珠驱动，其运动状态和主轴息息相关，其在一个周期内的转动角度和主轴一个周期内转动角度相同，即这两者之间平均转速相同。所以通过双闭环转速控制可以间接完成对冲击块转速控制。
本发明使用的控制方法对电动冲击扳手的冲击机构进行能量分析推导而来。该控制方法分别对冲击块残存能量、板轴吸收能量以及损耗能量进行分析和计算，如图3所示，图3中从左往右依次代表冲击块能量占比、板轴能量占比、损耗能量占比。推导出电动冲击扳手的输出扭矩会随着冲击次数的增加而逐渐趋于稳定，图4所示。并且所能达到的极限值同冲击块携带的旋转动能相关。
对于使用该扭矩控制方法的电动冲击扳手的工作原理为：一般情况下电动冲击扳手都是由电池、直流无刷电机、行星齿轮减速机构、主轴、主压力弹簧、冲击块、板轴等部件组成。工作中，电池为直流无刷电机提供能量驱动其旋转，直流无刷电机转动输出扭矩和转速，经过行星齿轮减速之后，其扭矩值增大并且转速减小。同时，主轴随行星齿轮旋转，其转速和电机转速呈现一定比例关系。冲击块嵌套与主轴上，并受到人字槽、钢珠、板轴以及主压力弹簧的综合影响，与主轴之间的运动状态呈现一定规律。如：板轴对冲击块的挤压力较小时，冲击块在人字槽法向线方向上的力无法克服主压力弹簧的压力，冲击块和主轴保持静止状态，当板轴对冲击块的挤压力过大时，主压力弹簧弹力被克服形成相对运动并产生冲击，该冲击的形成便是冲击扳手的工作原理。
因此，本发明采用上述一种电动冲击扳手定扭矩控制方法，能够解决电动冲击扳手扭矩控制精度差的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种电动冲击扳手定扭矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，设定电动冲击扳手的冲击次数为N；
步骤二，确定合适的冲击次数后通过双闭环转速控制模型修改电机转动速度，获取速度-扭矩实验数据，拟合控制模型；
步骤三，将拟合后的控制模型输出控制器，输入预设扭矩值，控制器解码出需要的电机转速，并检测冲击次数是否达标。
2.根据权利要求1所述的电动冲击扳手定扭矩控制方法，其特征在于：步骤一中，使用冲击次数这一离散参数作为扳手的停止条件，电机转速作为扳手的扭矩调整参数，首先先确定冲击次数N，以N次冲击作为扳手的停止条件，由冲击次数传感器或者检测算法检测冲击次数达到N次之后便停止扳手运行，冲击次数N灵活可变，通过修改N值能够得到不同的转速-扭矩模型。
3.根据权利要求2所述的电动冲击扳手定扭矩控制方法，其特征在于：步骤二中，确定合适的冲击次数后通过双闭环转速控制模型修改电机转动速度，使用扭矩检定仪记录速度-扭矩数据，拟合出控制模型。
4.根据权利要求3所述的电动冲击扳手定扭矩控制方法，其特征在于：步骤三中，将拟合后的控制模型输入至控制器中后，通过输入扭矩范围内的任意扭矩值，在按下开关前控制器会解码得到对应的电机转速值，启动开关后，双闭环控速算法控制电机快速到达对应转速并保持相对恒定，冲击次数检测传感器或检测算法检测冲击次数至额定值后扳手停止工作。
5.根据权利要求4所述的电动冲击扳手定扭矩控制方法，其特征在于：双闭环转速控制模型以电流环作为内环，以转速环作为外环，内环用于改善系统稳定性，外环用于降低干扰，双闭环转速控制模型控制电机转速。
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