CN116175492A - 高分辨率的砧座角度传感器 - Google Patents

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CN116175492A CN202211387542.XA CN202211387542A CN116175492A CN 116175492 A CN116175492 A CN 116175492A CN 202211387542 A CN202211387542 A CN 202211387542A CN 116175492 A CN116175492 A CN 116175492A
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Abstract

一种旋转动力工具组件，包括：锤壳，其具有在前端和后端之间延伸的轴线；驱动机构，其容纳在锤壳内；锤，其由驱动机构驱动，以向砧座施加旋转冲击力。砧座具有能够围绕所述轴线旋转的输出轴、从所述轴线延伸的多个砧座凸爪、固定连接在所述输出轴的一端并从所述轴线径向延伸的凸缘，其中凸缘支承多个砧座凸爪并延伸到多个砧座凸爪上方。砧座包括磁体，磁体与所述多个砧座凸爪相反地安装在凸缘上。砧座角度传感器构造成读取和译码磁体的磁通变化，并确定围绕所述轴线旋转的砧座的位置。

Description

高分辨率的砧座角度传感器
背景技术
旋转工具(例如冲击扳手)通常包括壳体或锤壳、输出轴以及驱动机构，其中，壳体或锤壳支承驱动机构，输出轴的第一端构造成与紧固件接合，第二端具有砧座，驱动机构能够操作以驱动输出轴。通常，操作人员向前进方向操作工具以将紧固件拧入至与工件接合，向相反方向操作工具以将紧固件从工件中拧出。
附图说明
下面参考附图进行详细描述。在说明书和附图的不同示例中使用同一附图标记表示类似或相同部件。
图1是局部剖视侧视图，其示出了根据本发明的示例性实施例的旋转动力工具组件。
图2是立体图，其示出了具有多个砧座凸爪并与输出轴相连的砧座。
图3是示意图，其示出了根据本发明的示例性实施例的用于测量砧座的速度和位置的磁性盘和磁性编码器传感器芯片，所述砧座例如是位于图1所示的旋转动力工具组件中的砧座。
图4是立体图，其示出了根据本发明的示例性实施例的砧座，所述砧座具有输出轴、多个砧座凸爪和凸缘。
图5是立体图，其示出了根据本发明的示例性实施例的图4中所示的砧座，所述砧座具有与多个砧座凸爪相反地粘附至凸缘的磁性盘。
图6是图1的旋转动力工具的局部剖视立体图，其示出了安装在旋转动力工具组件的锤壳里的根据本发明的示例性实施例的砧座，具有砧座角度传感器，该砧座角度传感器具有例如如图3所示的磁性编码器传感器芯片，安装在锤壳的内表面上并面向磁性盘。
图7是图6的旋转动力工具的局部剖视侧视图，其示出了根据本发明的示例性实施例的砧座角度传感器和磁性盘。
图8是根据本发明的示例性实施例的砧座的立体图，砧座具有凸缘和磁体腔，磁性盘位于磁体腔内，其中，磁性盘在其内径上被引导。
图9是根据本发明的示例性实施例的砧座的立体图，砧座具有凸缘和磁体腔，磁性盘位于磁体腔内，其中，磁性盘在其外径上被引导。
图10是根据本发明的示例性实施例的砧座的俯视图，砧座具有凸缘和磁体腔。
图11是根据本发明的示例性实施例的图10的砧座的立体图。
图12是根据本发明的示例性实施例的砧座的立体图，砧座具有凸缘和磁体腔，凸缘具有恒定的半径。
图13是根据本发明的示例性实施例的图12的砧座的剖视侧视图，位于砧座基部的倒角与磁体腔相切。
图14是根据本发明的示例性实施例的控制系统，该控制系统与旋转动力工具通信。
具体实施方式
为了便于理解本发明的原理，下面参考附图中的实施例对其进行具体描述。但是，应该理解，这些描述并非是用于限制本发明的保护范围的。对于本领域的普通技术人员来说，对所描述的实施例的任何改变或进一步的修改，以及对本文所述的本发明的原理的任何进一步的应用，都是可以想到的。
概述
下面总地参考图1至13描述具有高分辨率的角度传感器的旋转动力工具组件。旋转动力工具(例如冲击扳手)设计为以最小的用户用力来传递高扭矩输出。旋转块(例如锤)存储能量并将存储的能量突然传递给与输出轴相连的砧座，使砧座受到反复且突然的冲击载荷。当旋转块驱动砧座和输出轴时，可能有必要确定旋转砧座的角速度或位置。
旋转动力工具可包括跟踪旋转齿元件的角度的光学或磁性传感器。目前，齿轮编码器传感器检测在旋转元件的周边中切出的旋转齿。这种传感器的分辨率受限于齿的精细度、传感器阵列中的传感器的数量、以及传感器的检测旋转齿的磁通中的细小变化的能力。对于非常小的增量运动，例如小于一度(1°)的增量运动，这些传感器可能无法精确地测量旋转元件的旋转角度。例如，如果发生了二十(20)个冲击，每个冲击以小于半度(0.5°)的增量旋转，那么齿轮编码器可能会根据其编程算法返回零度(0°)的总角度。
当拧紧螺栓时，特别是在拧紧过程的最后阶段，可能存在小但却很多的角度旋转的增量。如果传感器分辨率低，那么误差就会快速累积，导致扭矩配置不准确。本文所述的旋转动力工具组件包括砧座角度传感器，砧座角度传感器包括磁性编码器传感器，所述磁性编码器传感器的分辨率很高，例如低于约一度(0.1°)。砧座角度传感器紧邻安装在旋转砧座的凸缘上的磁体。磁体粘附在砧座的凸缘上，以在旋转动力工具组件的使用过程中承受锤对砧座施加的持续冲击载荷。角度传感器可用于估算螺栓头的旋转，以实现包括转角扭矩目标的控制策略。砧座角度可能是相对于旋转动力工具组件的壳体或锤壳测量的。在操作期间，使用者要紧紧地把持住旋转动力工具组件以使得锤壳的角位移最小。
砧座角度传感器可与控制系统结合使用，以处理所需的螺栓转动角度、做出决定、并在达到所需的扭矩时关闭旋转动力工具。
示例性实施例的详细描述
图1示出了根据本发明的旋转动力工具组件100的示例性实施例。如图所示，旋转动力工具组件100包括锤壳102，锤壳102具有前端104和后端106。锤壳102容纳驱动机构101，驱动机构101驱动旋转杆，旋转杆驱动齿轮组件(未示出)。齿轮组件使凸轮轴116转动，凸轮轴116又通过与凸轮轴116和锤114两者接合的凸轮球103使锤114转动。转动锤114使得锤克服弹簧105的偏置力向后端106移动，直到锤114被松开为止，然后锤114向前端104移动并同时围绕轴线108旋转。锤114冲击砧座112，使得砧座112旋转。通过重复该过程，锤114对砧座112产生连续的间歇性冲击，使其不断地旋转。输出轴110从砧座112伸出并可接收与待拧紧或松开的紧固件(例如螺栓、螺母、螺钉等)接合的连接器或其它装置。
在实施例中，驱动机构101包括电动机(未示出)，电动机由例如可拆卸电池(即所示的构造)、内部电池等电源供电，或者通过电线由外部电源供电。但是，也可想到，旋转动力工具组件102还可包括气动工具，气动工具的驱动机构101采用由压缩空气源提供动力的气动(压缩空气)马达。
参考图2，所示的砧座50具有由轴承面53连接的多个凸爪52和输出轴51。图3示出了磁性盘124和角度传感器126，角度传感器126具有磁性编码器传感器芯片130(在图中并排布置，未按比例绘制)。磁性盘124被划分成多个径向锥形(饼状)的磁极，其中交替的北极和南极彼此相邻，各北极和南极分组成磁极对125。在每个磁极对125的半径B处的弧长的宽度A可以与磁性编码器传感器芯片130中的传感器阵列C的宽度相匹配，以提高角度传感器126的分辨率。在实施例中，对于每个给定的磁极对125，当其在磁性编码器传感器芯片130前面旋转时，角度传感器126可产生预定数量的脉冲(例如四十(40)个脉冲)。磁性编码器传感器芯片130可采用正交磁性编码器，正交磁性编码器是具有两(2)个异相输出通道的增量式编码器。因此，正交磁性编码器在两个输出通道中对脉冲序列的前沿和后沿进行计数，将每转产生的脉冲数增加到四倍。磁极对125的数量决定了角度传感器126的分辨率。例如，对于正交磁性编码器来说，如果磁性盘124包括二十四(24)个磁极对125，那么角度传感器126在磁性盘124每转中产生3840个脉冲，提供的精度为0.09375度/脉冲。需要指出的是，该实例不是限制性的，磁性盘124可具有不同数量的磁极对125或具有不同的形状(例如圆形等)。砧座112的位置是相对于锤壳102的取向来测量的。所确定的砧座的角度可能会受到操作期间锤壳的角位移的影响。例如，如果锤壳102在操作期间发生移动，那么由角度传感器126所确定的角度可能无法全面反映正被拧紧或松开的紧固件的角位移。
图4和5示出了砧座112的示例性实施例，砧座112具有输出轴110、多个砧座凸爪120、凸缘122和磁性盘124。如图所示，磁性盘124与多个砧座凸爪120相反地安装至凸缘122，并且与输出轴110同心。磁性盘124可利用高强度和/或耐热粘合剂(例如柔性液体环氧胶水)粘接到凸缘122上的适当位置。但是，应当理解，可以使用其它的高强度和/或耐热粘合剂来将磁性盘124固定在适当的位置。磁性盘124可对准并固定在凸缘122上，以便在工具的使用寿命内承受锤114的反复冲击载荷。在示例性实施例中，根据具体应用所需的砧座角度传感器112的分辨率，可以从旋转动力工具组件100上分别拆下砧座112和/或磁性盘124，并换成不同的砧座/磁性盘。在示例性实施例中，可以将磁性复合材料直接包覆成型到砧座112的凸缘122上，而不是成型为单独的磁性盘124。在示例性实施例中，磁性盘124由多孔磁性材料制成，包括但不限于如钡铁氧体或锶铁氧体等铁磁性陶瓷。
参考图6和7，其中示出了锤壳102的前端。砧座112安装在锤壳102上，使得输出轴110穿过锤壳120延伸。间隔件132将凸缘122与锤壳102隔开并支承凸缘122。在所示的实施例中，角度传感器126包括安装在锤壳120的内表面125上的传感器板128。磁性编码器传感器芯片130安装传感器板128上，正对着安装在凸缘122上的磁性盘124。基于磁性编码器传感器芯片130的检测范围、磁极对125的磁场强度等来选择磁性盘124和砧座角度传感器126之间的距离(间隙)。在示例性实施例中，磁性盘124和砧座角度传感器126之间的距离小于三毫米(3mm)(例如在一毫米(1mm)和二毫米(2mm)之间)。但是，应当理解，磁性盘124和砧座角度传感器126之间的距离可以比上述示例性实施例中的更大或更小。在示例性实施例中，可以在制造期间在磁性盘124和/或砧座角度传感器126后面设置间隔件(未示出)以调节它们之间的距离。
如图3所示，因为当在每个磁极对125的半径B处的弧长的宽度A对应于传感器阵列C的宽度时砧座角度传感器126具有最高的分辨率，所以砧座角度传感器126的角精度是受磁性盘124相对于轴线108的同心度影响的。因此，磁极对的宽度与编程/校准的宽度的偏差可能会产生角度读数误差。磁性盘124的同心度有偏差的一个原因是磁性盘124在凸缘122上的位置。需要注意的是，虽然当在每个磁极对125的半径B处的弧长的宽度A对应于传感器阵列C的宽度时砧座角度传感器126具有最高的分辨率，但是本发明不限于宽度A和C是相等的，可以设想的是，传感器阵列C的宽度可以小于或者大于磁极对125的弧长的宽度A。
在示例性实施例中，如图8和9所示，磁性盘124位于凸缘122中的磁体腔136内。磁体腔136支承磁性盘124，以抵抗与锤114的持续冲击相关的径向加速度。磁体腔136帮助在高强度粘合剂和磁性盘124的边缘之间形成更好的密封，限制油脂和/或油的渗入，因为油脂和/或油可能会降低磁性材料的强度，以及削弱磁性盘124与凸缘122的粘合力。
在示例性实施例中，可以与轴线108和砧座轴承面131同轴地设置引导面129。例如，如图8和9所示，可以与轴线108同轴地切割出引导面129。如图8所示，磁性盘124可以在内径ID处与引导面129对齐，在外径OD和磁体腔136的内边缘之间存在间隙134。将引导面129与磁性盘124的一个直径对齐，可以使磁性盘124在承受锤114的反复冲击载荷时保持其对齐状态。但是，如图9所示，在其它实施例中，磁性盘124可以在外径OD处与引导面129对齐，在内径ID和磁体腔136的内边缘之间有间隙134。在其它的实施例中(未示出)，磁性盘124可以在内径ID和外径OD处都与引导面129对齐(未示出)。
在示例性实施例中，凸缘122可以延伸到多个砧板凸爪120上方，并且包括位于多个砧板凸爪120之间的多个弧形突出部127。凸缘122可从输出轴110延伸到与多个砧座凸爪120的径向长度相等的第一径向距离R1，并且在多个砧座凸爪120中的每个砧座凸爪之间延伸到第二径向距离R2。在示例性实施例中，第一径向距离R1大于第二径向距离R2，如图8至11所示。在该示例性实施例中，在多个砧座凸爪120每侧的区域中，凸缘122的周缘中的材料较少，这减少了砧座112的质量，因此，在不降低输出轴110或磁体腔136的强度的情况下，减少了砧座112被锤114击中时的惯性。在示例性实施例中，凸缘122可包括倒圆140，倒圆140从砧座112的基部延伸并与磁体腔136相切，见图13。
在其它的示例性实施例中，第一径向距离R1和第二径向距离R2是同样的距离，并且凸缘基本上是围绕输出轴110的圆形，见图12。需要指出的是，除了第一径向距离和第二径向距离以外，凸缘122可具有其它的从输出轴110延伸的距离。
旋转动力工具组件100可以与控制系统200耦合，以控制输出轴110的旋转，见图14。控制器可包括处理器202、存储器204、以及通信接口206。处理器为控制系统提供处理功能，可以包括任何数量的处理器、微控制器或其他处理系统，以及用于存储由控制系统访问或生成的数据和其他信息的常驻或外部存储器。
虽然参考具体的结构特征和/或工艺操作描述了本发明，但应理解，由所附权利要求书限定的本发明的主题不一定限于上述具体特征或动作。相反地，上述具体特征和动作是实施权利要求的实例形式。

Claims (20)

1.一种旋转动力工具组件，包括：
锤壳，其具有前端和后端并限定在所述前端和所述后端之间延伸的轴线；
驱动机构，其容纳在所述锤壳内；
锤，其由所述驱动机构驱动，以向砧座施加旋转冲击力；
所述砧座具有：
纵向延伸的输出轴，其能够围绕所述轴线旋转并且支承在所述锤壳的所述前端内；
多个砧座凸爪，其从所述轴线延伸，以及
凸缘，其固定连接至所述输出轴的一端并从所述轴线径向延伸，其中所述凸缘支承所述多个砧座凸爪，所述凸缘延伸到所述多个砧座凸爪上方并包括多个弧形的突出部，所述突出部在所述多个砧座凸爪之间位于所述凸缘的相反的侧上；
磁体，其安装在所述凸缘的与所述多个砧座凸爪相反的前端上；以及
砧座角度传感器，其安装到所述锤壳的内表面并面向所述磁体，其中所述砧座角度传感器构造成读取和译码所述磁体的磁通变化，并确定围绕所述轴线旋转的所述砧座的位置。
2.根据权利要求1所述的旋转动力工具组件，其中
所述砧座角度传感器包括磁性编码器传感器芯片。
3.根据权利要求1所述的旋转动力工具组件，其中
所述磁体是磁性盘，所述磁性盘被划分成交替的径向锥形的北磁极和南磁极，所述北磁极和南磁极分组成磁极对。
4.根据权利要求3所述的旋转动力工具组件，其中
一对磁极的宽度对应于所述砧座角度传感器的传感器阵列的宽度。
5.根据权利要求1所述的旋转动力工具组件，其中
所述砧座角度传感器和所述磁体之间的距离小于3mm。
6.根据权利要求1所述的旋转动力工具组件，其中
所述多个弧形的突出部的径向距离小于或等于所述多个砧座凸爪的径向距离。
7.根据权利要求1所述的旋转动力工具组件，其中
所述凸缘包括磁体腔，所述磁体腔位于所述凸缘的前端上，用于安装所述磁体。
8.根据权利要求1所述的旋转动力工具组件，其中
所述砧座角度传感器包括控制系统，以处理所述砧座的角度、确定所述砧座的角度、并基于所述砧座的所述角度来改变所述旋转动力工具组件的配置。
9.根据权利要求8所述的旋转动力工具组件，其中
所述控制系统基于所确定的所述砧座的角度关闭所述旋转动力工具组件。
10.一种用于旋转动力工具的砧座，包括：
纵向延伸的输出轴，其能够围绕轴线旋转并支承在锤壳的前端中，
多个砧座凸爪，其从所述轴线延伸，以及
凸缘，其与所述输出轴的一端固定连接并从所述轴线径向延伸，其中所述凸缘支承所述多个砧座凸爪，所述凸缘延伸到所述多个砧座凸爪上方并包括多个弧形的突出部，所述突出部在所述多个砧座凸爪之间位于所述凸缘的相反的侧上；以及
磁体，其安装在所述凸缘的与所述多个砧座凸爪相反的前端上，
其中，安装到所述锤壳的内表面的砧座角度传感器面向所述磁体，所述砧座角度传感器构造成读取和译码所述磁体的磁通变化，并确定围绕所述轴线旋转的所述砧座的位置。
11.根据权利要求10所述的砧座，其中
所述磁体是磁性盘，所述磁性盘被划分成交替的径向锥形的北磁极和南磁极，所述北磁极和南磁极分组成磁极对。
12.根据权利要求11所述的砧座，其中
一对磁极的宽度对应于所述砧座角度传感器的传感器阵列的宽度。
13.根据权利要求10所述的砧座，其中
所述多个弧形的突出部的径向距离小于或等于所述多个砧座凸爪的径向距离。
14.根据权利要求10所述的砧座，其中
所述凸缘包括磁体腔，所述磁体腔位于所述凸缘的前端上，用于安装磁体。
15.根据权利要求10所述的砧座，其中
所述砧座角度传感器和所述磁体之间的距离小于3mm。
16.一种旋转动力工具组件，包括：
锤壳，其具有前端和后端并限定在所述前端和所述后端之间延伸的轴线；
驱动机构，其容纳在所述锤壳内；
锤，其由所述驱动机构驱动，以在砧座上施加旋转冲击力；
所述砧座具有：
纵向延伸的输出轴，其能够围绕所述轴线旋转并且支承在所述锤壳的所述前端内；
多个砧座凸爪，其从所述轴线延伸，
凸缘，其固定连接在所述输出轴的一端并从所述轴线径向延伸，其中所述凸缘支承所述多个砧座凸爪，所述凸缘延伸到所述多个砧座凸爪上方并包括多个弧形的突出部，所述突出部在所述多个砧座凸爪之间位于所述凸缘的相反的侧上；
磁体，其安装在所述凸缘的与所述多个砧座凸爪相反的前端上；
砧座角度传感器，其安装到所述锤壳的内表面并面向所述磁体，其中所述砧座角度传感器构造成读取和译码所述磁体的磁通变化，并确定围绕所述轴线旋转的所述砧座的位置，并且其中所述砧座角度传感器包括控制系统，以处理所述砧座的角度、确定所述砧座的角度、并基于所述砧座的角度来改变所述旋转动力工具组件的配置。
17.根据权利要求16所述的旋转动力工具组件，其中
所述砧座角度传感器包括磁性编码器传感器芯片。
18.根据权利要求16所述的旋转动力工具组件，其中
所述磁体是磁性盘，所述磁性盘被划分成交替的径向锥形的北磁极和南磁极，所述北磁极和南磁极分组成磁极对。
19.根据权利要求18所述的旋转动力工具组件，其中
一对磁极的宽度对应于所述砧座角度传感器的传感器阵列的宽度。
20.根据权利要求16所述的旋转动力工具组件，其中
所述砧座角度传感器和所述磁体之间的距离小于3mm。
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