CN1511078A - 用于确定力矩输出以及使用力矩传感器来控制动力冲击工具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种冲击工具(10)，具有控制系统，用于在预选力矩级时关闭马达(12)。

Description

用于确定力矩输出以及 使用力矩传感器来控制动力冲击工具的方法

本申请是申请日为12/3/98的共同待审申请No.09/204698的部分继续申请。

发明背景

技术领域

本发明涉及用于确定力矩输出以及控制动力冲击工具的方法。本发明还涉及一种具有电子控制器的机械冲击扳手。

相关技术

在相关技术中，动力冲击工具的控制已经可以通过直接监测工具的冲击力矩而实现。例如，在授予Maruyama等的美国专利No.5366026和5715894(这些文献被本文参引并涵盖)中公开了控制冲击拧紧装置，其中采用了包括直接力矩测量的复杂方法。直接力矩测量包括在冲击时测量扭应力的力分量，由环绕工具输出轴的磁场表示。通过这一力分量，相关技术装置直接确定在冲击过程中施加的力矩，即力矩T＝力F乘以力矩臂的长度r。不过，如美国专利No.5366026的图10中所示，即使在施加多次冲击后，力矩测量值仍然波动。该现象是由冲击的力分量不一致而引起。特别是，某些装置在给定时间点测量力矩，这样，测量的力矩取决于在该时间点所施加的力。在其它情况中，在力增大时监测该力，且在检测到力减小的时间点测量该峰值。在上述两种情况中，力可能不是峰值力，因此，得出的力矩可能不准确。

为了矫正该问题，相关技术装置使用加权因子或峰值和/或力矩测量峰值的低通过滤，和/或假设马达的驱动力恒定(尽管并不是这样)。例如，在美国专利No.5366026中，根据脉冲力矩的峰值以及表示施加的夹持力的增加率的增加系数，力矩测量值用于计算夹持力。不幸的是，力矩测量值的精确性仍然较低。因此，需要更好的方法来操作动力冲击工具，尤其是机械冲击工具(即它们具有机械冲击传递机构)，同时使力矩测量值的精确性更高。还需要使力矩测量值更精确。

相关技术的其它缺点是在机械冲击扳手中没有电子控制器。

发明简介

本发明提供了一种冲击工具，该冲击工具具有控制系统，用于在预选级时关闭马达。

本发明提供了一种机械冲击扳手，包括：

壳体；

冲击传递机构，该冲击传递机构在该壳体内；

输出轴，该输出轴由该冲击传递机构驱动；

马达，用于向该传递机构提供动力；

铁磁体传感器，该铁磁体传感器测量该输出轴的输出力矩；以及

控制系统，用于接收来自该铁磁体传感器的力矩数据，其中，在预选力矩级时，该控制系统关闭该马达。

本发明提供了一种方法，包括：

提供控制系统，用于接收来自铁磁体传感器的力矩数据信号；及

在预选力矩级时，该控制系统关闭马达。

由铁磁体传感器发送信号；以及

在预选力矩级时，该控制系统关闭马达。

通过下面对本发明优选实施例的更详细说明，可以清楚本发明的前述和其它特征和优点。

附图的简要说明

下面将参考附图详细介绍本发明的优选实施例，附图中，相同的标号表示相同元件，且附图中：

图1表示了本发明的动力工具；

图2A-2C表示了本发明的方法的流程图；

图3表示了动力工具的另一实施例，该动力工具包括：铁磁体传感器，用于测量输出轴的输出力矩；以及控制系统，用于在预选力矩级时使马达关闭；

图4表示了动力工具的另一实施例，该动力工具包括位于壳体外部的输入装置，用于输入预选力矩级；以及

图5表示了用于在达到预选力矩级时关闭该动力工具的控制系统的示意图。

优选实施例的说明

尽管下面将详细表示和说明本发明的某些优选实施例，但是应当知道，在不脱离附加权利要求的范围的情况下，可以进行各种变化和改变。本发明的范围并不对构成部件的数目、材料、形状、相对布置等进行限制，对它们的说明只是作为优选实施例的一个实例。

参考图1，图中表示了本发明的动力冲击工具10。应当知道，动力冲击工具10的一种示例形式是机械冲击扳手，本发明的教导也能够用于各种动力冲击工具。因此，尽管本发明的教导特别有利于机械冲击扳手，但是本发明的范围并不局限于该装置。

动力工具10包括用于马达12(以虚线表示)的壳体11，该马达例如电马达、气动马达、液压马达等。壳体11包括手柄14，该手柄14中有起动扳机16。动力工具10也包括机械冲击传递机构21，该机械冲击传递机构21有输出轴或砧台18以及锤22，可通过中间砧台24与输出轴或砧台18连接。锤22可通过马达输出轴20而由马达12驱动旋转，以便物理上重复撞击或冲击输出轴或砧台18，从而通过套筒38重复地向工件40传递冲击。应当知道，冲击传递机构21可以为本领域已知的各种其它形状，这也不脱离本发明的范围。而且，应当知道，套筒38也可以是能够使工件40与输出轴18配合的任何形式的接头，且工件40也可以变化。例如，该工件可以是螺母、螺栓等。

动力工具10另外包括开关15，该开关15优选是位于手柄14内。不过，该开关15也可位于壳体12中，或者在需要增压流体供给管路17时在该增压流体供给管路17中。增压流体供给管路17可以传送任意合适物质(例如气体、液体、液压流体等)。开关15通过数据处理单元或电子控制器50驱动，以便停止动力工具10的操作，如下面所述。尽管电子控制器50表示为在动力工具10的外部，但是当需要时它也可以在动力工具10内。当动力工具10是气动工具时，开关15是截流阀。当使用电马达时，开关15可以形成为控制开关或类似结构的形状。

成机械冲击扳手形状的动力工具10包括铁磁体传感器30。传感器30表示为永久性安装，但是也可考虑使该装置可更换，以便于维修。传感器30包括连接器32，用于与数据处理单元50、静止霍尔效应或类似磁场检测单元34以及铁磁体部件36相连。优选是，铁磁体部件36为与动力工具10的输出轴18相连的磁性弹性环37。该磁性弹性环37可由例如Magna-lastic Devices Inc.，Carthage，Illinois获得。在优选实施例中，该磁性弹性环37包围或环绕输出轴18。

当更换时，使用单独的铁磁体元件36可以很容易地完成传感器更换，同时不更换机械冲击扳手10的输出轴18，从而降低成本。而且，磁性弹性环37的优选使用增加了机械冲击工具10的使用寿命，因为环37可以在更长期限内承受大得多的冲击。不过，应当知道，本发明的上述涉及传感器的教导并不是为了限制本发明的其它教导。换句话说，后面所述的本发明实施例的实现并不依赖于上述传感器。

下面介绍动力工具10的操作，本发明的重要特征是传感器30用于测量时变力信号，或者换句话说测量冲击的冲量。这样确定的冲量再用于计算力矩，与直接测量力矩不同。如相关技术中所述，因为测量时间点的关系，直接测量力矩导致表示值不准确，从而需要使用校正因子、峰值和/或力矩测量峰值的低通过滤，或者不准确地假设为恒定力矩输出。相反，包括能够积分的时间参数将能够更准确地表示工具的作用。因为冲量直接与力矩相关，因此可以得出与确定冲量值相对应的力矩值，从而获得更准确的力矩值。

冲量I通常表示为力F和时间t的乘积。如本发明中所使用，冲量I同样表示为：

当F是冲击力时，dt是从积分开始时间t_i至积分结束时间t_f的时间微积分。这里所用的冲量是在合适时间期限内力和时间的乘积的积分。应当知道，有多种方式来设置t_i和t_f例如，在优选实施例中，数据连续流入数据处理单元或电子控制器50的缓冲器中。当检测冲量时，t_i被设置成冲量减去一定数目(x)的时钟量，t_f被设置成冲量加上一定数目(y)的时钟量。参数(x)和(y)取决于使用的工具。因此，产生从t_i至t_f的力的窗口，它可以进行积分以得出冲量值。

优选是，力矩以如下方式由确定的冲量得出。冲量I也等量变化成线性动量Δρ，即I＝Δρ。通过采用冲量I和力矩臂r的长度的向量乘积，线性动量ρ可以转变成角度动量L，即L＝r×ρ。通常定义为力乘以力矩臂r的长度的力矩T也以刚体的角度力矩的时间变化率的形式确定，即∑T＝dL/dt。因此，冲量I可以利用以下公式转化成力矩T：

T＝d(Ir)/dt

因此，由冲击作用在一定时间t上而产生的力矩为T＝Ir/t。已知冲量I、力矩臂r和时间t，就可以由确定的冲量得出力矩T的准确测量值。冲量值I也可以在确定力矩T之前乘以比例系数C。比例系数C是基于特定工具的尺寸的确定值，例如，它可以根据磁场面积和制造工差而变化。

图2A-2C表示了本发明的方法实施例的流程图。在步骤S1，动力工具10的用户对于给定的工件40输入选定的参数标准或目标。“标准”是指各个目标值，即最大允许力矩T_max、最小冲击次数N_min等，或者合适的目标值范围，即T_min＜T＜T_max，N_min＜N＜N_max，或t_min＜t＜t_max等。尽管在优选实施例中，力矩T是工具控制的主要参数，并使用两个交叉校验参数(即冲击次数N和时间t)，但是应当知道，其它参数也可以进行测量并用于交叉校验对给定工件的合适操作。

然后，在步骤S2中，系统查询：操作输入，例如上述标准；要生成和/或打印的输出/报告；要储存和/或可检查的数据；以及用户是否准备使用该工件。可以使用操作准备指示灯来表示工件已经准备进行操作或接收数据。当准备指示未激发时，处理循环进行，直到给出准备指示。当给出准备指示时，处理前进到步骤S3，在该步骤S3中将开始参数测量，即力矩T₀的值，冲击持续时间t₀设置为0，冲击次数N设置为1。

在步骤S4，开始动力工具10的操作处理循环。对传感器30的输出将持续监测，除非当达到标准或产生错误指示，如下面所述。当传感器30的监测通过检测冲击来指示工具的操作时，开始操作处理。因为在开始冲击后某一时间出现冲击界限值，因此采用由传感器30监测的、跨越冲击界限值的数据窗口(在电子控制器50的缓冲器中收集的数据)。如上所述，当检测冲击时，t_i设置成冲击减去一定数目的时钟量。因此，当检测到起始冲击时，系统往回(x)时钟量，以便确定操作处理何时开始。当检测到没有操作时，循环进行处理，直到检测到操作。

当开始操作时，处理前进到步骤S5，在该步骤S5中进行数据收集。在优选实施例中，测量冲量I、冲击次数N和持续时间t。冲量I如上所述通过在一定时间内对力积分而产生。然后在步骤S6中根据上述公式由冲量I计算或得出力矩T。

然后，如图2B所示，在步骤S7-S12中，收集的数据与输入的标准或标准组合进行比较。特别是，在步骤S9，判断是否t＞t_max；在步骤S10，判断是否N＞N_max；在步骤S11，判断是否T＞t_max。优选是可以检查标准的组合。例如，在步骤S8，判断是否t＜t_min和T＞T_min；而在步骤S12中，判断是否N＜N_min和T＞T_min。也可以进行其它比较。

如步骤S13所示，当不满足该标准时，打开红色错误灯。同时，电子控制器50起动开关15并停止操作。在步骤S14，根据违反标准的参数例如T_oerr、N_oerr、t_oerr、T_uerr、N_uerr、t_uerr而产生合适的错误信号。下标“oerr”表示超过最大值，例如超过T_max，而下标“uerr”表示不满足最小值，例如不满足N_min。也可以使用并不表示错误是高于或低于标准的错误表示，例如t_err。在步骤S15中，进行任意所需的目标值复位。在步骤S16中，当需要时关闭红灯，再返回步骤S2，以便再次开始操作。

优选是，动力工具10的控制只基于由冲量I得出的力矩T。不过，如上所述，使用多标准和多标准检查能够进行交叉检查，以便对给定工件进行合适操作。例如，螺栓和螺母可能有螺栓和螺母螺纹错扣的不合适结果。在本例中，当力矩测量值表示合适连接，而冲击次数N可能并不满足标准，因此表示存在螺纹错扣。

当在步骤S7-S12中表示没有错误时，工具操作循环返回步骤S4。在该循环过程中，在步骤S17中，冲击次数N增加1次。

通过步骤S7-S12，系统也判断满足标准的时间。也就是，当满足T_min＜T＜T_max，N_min＜N＜N_max，和t_min＜t＜t_max等时。当这样时，处理前进到步骤S18，如图2C所示。在步骤S18，打开绿灯，表示对工件进行合适操作，同时通过由电子控制器50驱动开关15而停止工具操作。

在步骤S19中，进行操作的统计分析。例如，可以计算冲击的最终次数N、施加的平均力矩T、施加力矩T的范围R、或者标准偏差S。应当知道，也可以对数据进行其它处理，这也不偏离本发明的范围。例如，当需要时可以计算所有测量参数的统计值，例如平均值、范围和标准偏差等。而且，当需要时，也可以根据这些统计值产生错误指示。

在步骤S20中，收集和/或计算的数据将根据需要进行显示和/或写入数据储存器。

在步骤S21中，在关闭绿灯和前进到下一操作的步骤S2之前，根据用户需求等候一定时间X(s)。然后处理返回步骤S2，以便再次开始操作。

测量冲量和由该测量得出力矩值的上述处理能够更准确地控制动力工具10。

图3表示了动力工具10A的另一实施例。该动力工具10A包括用于马达12(以虚线表示)的壳体11。该马达12可以包括任意合适的驱动装置(例如电、气动、液压等)。壳体11包括手柄14，该手柄14中有起动扳机16。动力工具10A也包括机械冲击传递机构21，该机械冲击传递机构21有输出轴或砧台18以及锤22，可通过中间砧台24与输出轴或砧台18选择连接。锤22可通过马达输出轴20而由马达12驱动旋转，以便物理上重复撞击或冲击输出轴或砧台18，从而通过套筒38重复地向工件40传递冲击。应当知道，冲击传递机构21可以为本领域已知的各种其它形状，这也不脱离本发明的范围。而且，应当知道，套筒38也可以是能够使工件40与输出轴18配合的任何形式的接头，且工件40也可以变化。例如，该工件可以是螺母、螺栓等。

动力工具10A包括位于手柄14中的开关15A。不过，该开关15A可以位于壳体12中，或者在需要增压流体供给管路17时在该增压流体供给管路17中。开关15A包含在控制系统50A中。该开关15A由电子控制器50A驱动，以便停止动力工具10A的操作。电子控制器50A可以位于动力工具10A内，或者可以在该动力工具10A的外部。当动力工具10A是气动工具时，开关15A是截流阀。当使用电马达时，开关15A可以包括电控制开关。

成机械冲击扳手形状的动力工具10A包括力矩传感器例如铁磁体传感器30。该铁磁体传感器30表示为永久性安装，但是也可考虑使该装置可更换，以便于维修。传感器30包括连接器32，用于与控制系统50A、静止霍尔效应或类似磁场检测单元34以及铁磁体部件36相连。铁磁体部件36可以是与动力工具10A的输出轴18相连的磁性弹性环37。该磁性弹性环37可由例如Magna-lastic DevicesInc.，Carthage，Illinois获得。该磁性弹性环37包围或环绕输出轴18。

当更换时，使用单独的铁磁体元件36可以很容易地完成传感器更换，同时不更换机械冲击扳手10A的输出轴18，从而降低成本。而且，磁性弹性环37的优选使用增加了机械冲击工具10的使用寿命，因为环37可以在更长期限内承受大得多的冲击。

在动力工具10A中，铁磁体传感器30测量在输出轴18中的输出力矩级84。导线管60将包括输出力矩级84的力矩数据信号传送给控制系统50A。导线管64将输入数据66从输入装置68传送给控制系统50A。导线管70将输出数据72传送给输出装置74。导线管76将电78从电源80传送给控制系统50A。电源80可以为任意合适源(例如电池、太阳能电池、燃料电池、墙壁电插座、发电机等)。输入装置68可以为任意合适装置(例如触屏、键盘等)。操作人员可以将预选的力矩级82输入该输入装置68。该预选力矩级82通过导线管64传送给控制系统50A。该控制系统50A可以通过导线管70将输出数据72传送给输出装置74。输出数据72可以包括预选力矩级82或由输出轴18输出的力矩级84。输出装置68可以为任意合适装置(例如屏幕、液晶显示器等)。控制系统50A通过导线管88向开关15A发送开关控制信号86。操作人员使用起动扳机16来打开开关15A，而当在输出轴18中达到预选力矩级82时，控制系统50A关闭该开关15A。

图4表示了动力工具10B的另一实施例，该动力工具10B与动力工具10A相似，除了控制系统50A、输出装置74、输入装置68和开关15B在动力工具10B的壳体11外面。开关15B在供给管线17内。该开关15B可以包括例如截流阀、电磁阀、电开关、滑阀、提升阀等。与动力工具10A中相同，预选的力矩级82利用输入装置68输入控制系统50A内。当输出力矩级84达到预选力矩级82时，控制系统50A关闭开关15B。开关15B停止供给管线中的流动，并使马达12停止。

图5表示了使用该动力工具10A、10B的步骤的示意图。在步骤90中，操作人员将预选力矩级82输入该输入装置68中。在步骤92中，预选的力矩级82显示在输出装置74上。在步骤94中，利用起动扳机16打开马达12。在步骤96中，使用电磁铁传感器30的控制系统50A测量输出力矩级84。在步骤98中，控制系统50A在输出装置12上显示输出力矩级84。在步骤100中，当输出轴18中的输出力矩级84达到预选力矩级82时，控制系统50A关闭马达12。

尽管已经结合上述特定实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员显然知道多种选择、改变和变化。因此，上述本发明的优选实施例是为了举例说明，而不是为了限定。在不脱离如权利要求所述的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化。

尽管为了说明目的而介绍了本发明的实施例，但是本领域技术人员知道多种变化和改变。例如，力矩传感器30可以包括合适传感器(例如铁磁体、电阻、光、电感等)。因此，权利要求包含落在本发明的真正精神和范围内的所有这些变化和改变。特别是，应当知道，不管怎样利用力矩传感器的测量值来确定力矩，本发明的内容都可以用于任何动力冲击工具，且上面对关于机械冲击工具，尤其是关于机械冲击扳手的优选实施例的说明并不能认为是将本发明限制为该装置。

Claims (27)

1.一种装置，包括：

壳体；

冲击传递机构，该冲击传递机构在该壳体内；

输出轴，该输出轴由该冲击传递机构驱动；

马达，用于向该传递机构提供动力；

铁磁体传感器，该铁磁体传感器测量该输出轴的输出力矩；以及

控制系统，用于接收来自该铁磁体传感器的力矩数据，其中，在预选力矩级时，该控制系统关闭该马达。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：输入装置，用于将该预选力矩级输入该控制系统；以及输出装置，该输出装置与该控制系统相连，以便提供来自该铁磁体传感器的输出力矩。

3.根据权利要求2所述的装置，其中：该输入装置包括键盘。

4.根据权利要求2所述的装置，其中：该输出装置包括液晶显示器。

5.根据权利要求1所述的装置，其中：该马达包括气动马达。

6.根据权利要求1所述的装置，其中：该马达包括电马达。

7.根据权利要求1所述的装置，其中：该控制系统包括用于打开或关闭该马达的开关。

8.根据权利要求7所述的装置，其中：该开关从以下组中选择：截流阀、电磁阀、电开关、滑阀和提升阀。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括：电源，用于向该控制系统供电。

10.根据权利要求9所述的装置，其中：该电源从以下组中选择：电池、太阳能电池、燃料电池、墙壁电插座和发电机。

11.根据权利要求2所述的装置，其中：该输入装置安装在该壳体上。

12.根据权利要求2所述的装置，其中：该输入装置在该壳体外面。

13.根据权利要求7所述的装置，还包括：起动扳机，用于打开该开关。

14.一种方法，包括：

提供控制系统，用于接收来自铁磁体传感器的力矩数据信号；以及

在预选力矩级时，该控制系统关闭马达。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：该铁磁体传感器提供来自输出轴的力矩数据信号，该输出轴由该马达驱动的冲击传递机构来驱动。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括：提供输入装置，用于向该控制系统输入预选的力矩级。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：提供输出装置，该输出装置与该控制系统相连，以便提供来自该控制系统的输出数据。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：该输出装置是液晶显示器。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：提供电源，以便向该控制系统供电。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：该电源从以下组中选择：电池、太阳能电池、燃料电池、墙壁电插座以及发电机。

21.根据权利要求14所述的方法，其中：该控制系统还包括用于打开或关闭该马达的开关。

22.根据权利要求14所述的方法，其中：该马达包括气动马达。

23.根据权利要求14所述的方法，其中：该马达是电马达。

24.根据权利要求21所述的方法，其中：该开关包括电开关，用于接通和断开通向该马达的电流。

25.根据权利要求21所述的方法，其中：该开关包括截流阀，用于打开和关闭通向该马达的气源。

26.根据权利要求16所述的方法，其中：该输入装置是键盘。

27.根据权利要求21所述的方法，还包括：起动扳机，用于接通该马达。

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