CN205148183U - 冲击扭矩电动工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种输出定量扭矩的电动工具，该工具包括位于壳体内的电机、控制器及其监控的电机转速侦测单元和电子开关，及与所述控制器相连的扭矩设定装置，还包括第一循环周期阈值设定单元和参数预值设定单元；与所述控制器相连的电机电流侦测单元或电机电压侦测单元；所述控制器首先根据扭矩设定装置预设输出扭矩值，预设第一循环周期阈值和参数预设单元预设的电机转速；接着监控电机转速侦测单元和电子开关，以PWM闭环调制方式控制电机的转速保持在预定值；然后测算储能-冲击循环的循环周期，直至其达到第一循环周期阈值时，通过电子开关控制电机停机，该电动工具能输出高精度的扭矩。

Description

冲击扭矩电动工具

技术领域

本实用新型涉及一种冲击扭矩电动工具，属于电动旋转储能冲击工具。

背景技术

在对拧紧工艺有严格要求的装配线，对螺栓预紧力有要求，以使生产出来的产品质量有保障；在一些设备安装、调试的工作环境中，更需要严格控制螺栓的预紧力，由于螺栓预紧力与扭矩的对应关系，这需要电动工具能保证定量的扭矩输出。

动态扭矩传感器式电动工具是在拧紧轴上安装有传感器，时刻监测扭力值的变化，当达到预定扭矩时，电机即停止工作，这种方案似乎能解决问题，但是成本太高，体积大且寿命不长，因而实用性欠佳。

对于电动储能冲击工具，如电动冲击扳手、电动冲击螺丝批、电动冲击钻等，定量扭矩输出的一般措施是通过调速开关调节电机的供电电压比例来实现的；然而，由于电源电压的波动、开关本身的调节比例的波动，都会影响该电动工具扭矩的输出精度。特别是，调节电机工作电压的方式，导致电机一直工作在较低的转速下，严重影响工作效率。

另有些电动工具，采用档位开关来调节电机的供电电压比例来实现扭矩的调节，虽然比调速开关稳定一些，但也存在随着供电电压的变化导致精度难以保证，而且也存不同的负载下，冲击作用时间不同，导致输出精度差异很大。

这是现有技术的缺陷。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型解决的技术问题是提供一种能更精确输出扭矩的扭矩电动工具，

本实用新型的冲击扭矩电动工具，包括位于壳体内的电机、由电机驱动的储能-冲击组件、MCU控制器及其监控的电机转速侦测单元和电子开关，及与所述控制器相连的扭矩设定装置，其特征在于还包括：与所述控制器相连的第一循环周期阈值设定单元和参数预值设定单元；用于测算储能-冲击循环的循环周期的与所述控制器相连的电机电流侦测单元或电机电压侦测单元；所述控制器首先根据扭矩设定装置预设输出扭矩值，预设第一循环周期阈值和参数预设单元预设的电机转速；接着监控电机转速侦测单元和电子开关，以PWM闭环调制方式控制电机的转速保持在预定值；然后测算储能-冲击循环的循环周期，直至其达到第一循环周期阈值时，通过电子开关控制电机停机，从而输出预定量扭矩。

电机转速恒定之前，所述控制器还测算该时刻电机实测转速相对应的第二循环周期阈值T_X和对应该储能-冲击循环的循环周期，直至测算的循环周期达到该第二循环周期阈值T_X时为止。

本实用新型通过设定第一循环周期阈值和维持电机转速恒定，可使循环周期与输出扭矩之间建立精确的对应关系，当循环周期达到第一循环周期阈值时控制电机停机，即输出更精确的预定量扭矩。

本实用新型通过测算第二循环周期阈值，当循环周期达到第二循环周期阈值时即维持电机转速，而且保持了工作的高效。

附图说明

图1是本实用新型的电动工具的结构示意图。

图2是图1的局部剖视图，显示了本实用新型的储能-冲击组件的结构。

图3是本实用新型的储能-冲击组件工作过程示意图。

图4是图3的左视图。

图5是本实用新型的电机在不同阶段的电流变化示意图。

图6是本实用新型的控制电路的结构示意图。

图7是本实用新型的扭矩\循环周期与工作时间的关系示意图。

图8是本实用新型的电动工具的第一实施例工作时的主要流程图。

图9是本实用新型的电动工具的第二实施例工作时的主要流程图。

10-壳体；20-电机；30-储能-冲击组件；40-供电模块；50-控制电路；60-扭矩设定装置；31-储能弹簧；32-储能冲击块；33-输出冲击块；34-传动轴；35-滚珠；

51-控制器；52电机转速侦测单元；53-第一循环周期阈值设定单元；54-电机电流或电压侦测单元；55-参数预值设定单元；56-存储单元；57-扭矩转换单元

具体实施方式

现结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1，为本实用新型的电动冲击扳手，其为一种电动旋转储能冲击工具，具有壳体10，设置于壳体10内的电机20，与电机20相连的储能-冲击组件30，用于给电机20供电的供电模组40，用于对电机20进行监测和控制的控制电路50，以及与控制电路50相连的扭矩设定装置60。

参照图2~图4，储能-冲击组件30由储能弹簧31、储能冲击块32、输出冲击块33、传动轴34和滚珠35和包含该滚珠的导向槽等组成。电动冲击扳手开机后，电机带动传动轴旋转；传动轴的扭矩和转速通过储能弹簧传递给储能冲击块；并在储能弹簧的挤压下，储能冲击块和输出冲击块的凸台或齿轮部紧密啮合，形成刚性连接，这样，传动轴的扭矩和转速就进一步传递到输出冲击块，进而传递给工作头，开机后负载一般都较小，电机工作参数（电压、电流或转速）是相对稳定的，该阶段为小负载工作状态，之后，在储能-冲击组件协同作用下，电动工具工作于冲击工作模式，其包括储能阶段、释能阶段和冲击阶段。不同阶段的电机参数如电机工作电流与时间的关系具有不同的特征，分别对应如图5中的A区、B区、C区、D区。

随着外部负载的逐渐变大，输出冲击块受到的阻力扭矩也渐增，直至使其停止转动；但是，在旋转着的传动轴的导向柱上的导向槽和位于该导向槽内的滚珠的共同作用下，储能冲击块被迫沿远离输出冲击块的轴向移动，从而压缩储能弹簧，此过程为储能阶段。由于储能过程中需要额外的能量，会导致电机输入功率增加，其工作参数发生快速变化，如电流上升、电压下降、转速下降，如图5中的B区，其对应的储能时间为T1。

远离输出冲击块一段距离后，储能冲击块和输出冲击块的啮合面相互错开，储能冲击块在周向和轴向均无来自输出冲击块的障碍，在压缩后的储能弹簧的挤压下，储能冲击块沿着上述导向槽向靠近输出冲击块的方向移动，同时沿相对传动轴相同方向加速旋转起来，此过程为释能阶段。电机由于无需储能，电流下降，转速上升，如图5中的C区，对应的释能时间为T2。

当储能冲击块旋转并轴向移动到与输出冲击块的再次啮合位置时，二者撞击，使输出冲击块产生冲击扭矩，此过程为冲击阶段。此阶段会产生一个反冲击能量，该反冲击能量作用到电机上，导致电机阻力突然增加，产生一个电流冲击，电流短时间急剧上升，如图5中的D区，对应的冲击时间为T3。

参考图6，控制电路50上设有与控制器51相连的电子开关S1、电机转速侦测单元52、第一循环周期阈值设定单元53、电机电流侦测单元54、参数预值设定单元55、存储单元56和连接控制器51与扭矩设定装置60的扭矩转换单元57。电子开关S1具有三端头，其第一端与电机负极相连，第二端与控制器相连，第三端与供电模组的负极相连。本实施例中，控制器为MCU。

控制器控制电机的具体途径是通过电子开关的两种工作状态实现两种控制，其一是当电子开关频繁地闭合时，采用闭环PWM控制，控制器可控制电机转速维持在某一预定值；其具体步骤是：1）由电机转速侦测单元向MCU输入实测的电机转速值；2）MCU据此判断实测的电机转速值与转速预定值V_X之差；3）以所述差值计算PWM调制的占空比，从而调整电机转速，直至维持在预定值。其二是当电子开关保持断开状态时，电机实现停机。

本实用新型的电动工具的冲击工作模式表现为上述储能阶段、释能阶段和冲击阶段的若干循环，如图5所示，其循环周期为储能时间、释能时间和冲击时间之和，即T=T1+T2+T3。本实用新型中，循环周期的获得是由控制电路测算完成的。具体测算过程为：1）由电机电流侦测单元或电压侦测单元向MCU输入实测的电流值或电压值；2）MCU据此判断是否进入储能-冲击循环；3）计算相邻循环的时间差即为循环周期。

冲击工作模式下，机器固有机械参数是固定的，从而储能时间T1只和电机转速相关，电机转速高，T1小，电机转速低，T1大；释能时间T2只和电机转速相关，电机转速高，T2小，电机转速低，T2大；而冲击时间T3，不仅与机器的固有机械参数有关，而且与外部负载有关，螺栓拧的越紧，储能冲击块与输出冲击块冲击时间越短，T3越短。据此可设定储能时间、释能时间和冲击时间的大致范围，如实测的时间落入这个范围，则可判断的确进入了储能-冲击循环，以避免虚假的判断。

在一个储能-冲击循环中，冲击能量为冲击时刻电机转速的单函数，其为输出扭矩与冲击时间T3之积。如果固定储能-冲击循环过程的电机转速W_M，测量出冲击时间T3，就可以精确控制输出扭矩。但在冲击阶段，当储能冲击块和输出冲击块进行冲击，会导致储能冲击块的速度急剧降低，对于电机带动的传动轴来说，就是遭遇一个急剧变大的阻力，导致电机的电流急剧上升；且由于冲击阶段的电流上升速度与幅值与外部工作阻力有关，并没有一个显著的特征；加上进入下一个储能循环阶段，电流也会上升，冲击阶段的冲击时间T3比较难单独测量。然而，由于储能-冲击循环过程的的电机转速W_M的固定，因此储能时间T1和释能时间T2是固定的，通过测算出储能-冲击循环的循环周期T，就可以计算出冲击时间T3；并进而得到该时刻的输出扭矩。

根据以上分析，可以看出，如果恒定电机转速，则循环周期T就与扭矩存在唯一的对应关系；其与工作时间的关系见图7所示。参数预值设定单元55和存储单元56正是用于设定确定电机转速、循环周期和输出扭矩的对应关系的常数，还用于存储储能时间、释能时间和冲击时间的范围参数值，其与进入储能-冲击循环时的电机参数有关。

本实用新型的电动工具可以根据预选的扭矩值，在开机后按照使用者操作习惯工作，当检测到储能-释能-冲击循环后，不断计算循环周期T，并根据当前的电机速度自动设定第二循环周期阈值T_X，便于提高操作体验和兼顾工作效率；当循环周期T达到第二循环周期阈值T_X时，控制器控制电机维持在恒定的转速V_X，以确定冲击时间与冲击扭矩之间的对应关系，当转速恒定，冲击时间与冲击扭矩就存在唯一的对应；不断测量每个循环的冲击时间，当达到第一循环周期阈值T_Y，就得到高精度的冲击扭矩输出。

参看图8，为本实用新型的电动工具的第一实施例工作的主要流程图。其包括以下步骤：

步骤S11：使用者按下手持电动工具的扳机以启动电机；

步骤S12：检测扭矩设定装置的选择档位，得到预设的输出扭矩值，并根据预设的输出扭矩值和参数预值单元的参数及预设的第一循环周期阈值T_Y，计算电机转速预值V_X；

步骤S13：测量电机转速n；

步骤S14：调用循环检测子程序，根据循环检测子程序返回值，判断是否进入储能-冲击循环，如是，进行储能-冲击循环周期测算，获得储能-冲击循环周期T，并把进入储能-冲击循环时刻的电机转速n作为基准，根据该基准，计算第二循环周期阈值T_X；作为准备进入精确扭矩控制阶段的阈值；如否，则转入上一步骤；

步骤S15：判断当前循环周期T是否达到第二循环周期阈值T_X，如否，则转入上一步骤；

步骤S16:调用电机恒速子程序，电机恒速在V_X；

步骤S17：调用循环检测子程序，进行储能-冲击循环周期测算，获得储能-冲击循环周期T，

步骤S18：判断当前循环周期T是否达到第一循环周期阈值T_Y，如否，转入上一步骤；如是，则停机。

参看图9，为本实用新型的电动工具的第二实施例工作的主要流程图。其与上实施例的区别是缺少步骤S13~步骤S15，具体步骤为：

步骤S21：使用者按下手持电动工具的扳机以启动电机；

步骤S22：检测扭矩设定装置的选择档位，得到预设的输出扭矩值，并并根据预设的输出扭矩值和参数预值单元的参数及预设的第一循环周期阈值T_Y，计算电机转速预值V_X；

步骤S23:调用电机恒速子程序，电机恒速在V_X；

步骤S24：调用循环检测子程序，进行储能-冲击循环周期测算，获得储能-冲击循环周期T；

步骤S25：判断当前循环周期T是否达到第一循环周期阈值T_Y，如否，转入上一步骤；如是，则停机。

本领域技术人员可以想到的是，本实用新型的实施例是通过监测电流变化来测量储能-冲击循环周期的，也可以通过监测电机电压变化来进行储能-冲击循环周期的测算；但其采用技术方案的主要技术特征与本实用新型相同或相似，均应涵盖本实用新型中。

Claims (3)

1.一种冲击扭矩电动工具，包括位于壳体内的电机、由电机驱动的储能-冲击组件、控制器及其监控的电机转速侦测单元和电子开关，及与所述控制器相连的扭矩设定装置，其特征在于还包括：

与所述控制器相连的第一循环周期阈值设定单元和参数预值设定单元；

用于测算储能-冲击循环的循环周期的与所述控制器相连的电机电流侦测单元或电机电压侦测单元；

所述控制器首先根据扭矩设定装置预设输出扭矩值，预设第一循环周期阈值和参数预设单元预设的电机转速；接着监控电机转速侦测单元和电子开关，以PWM闭环调制方式控制电机的转速保持在预定值；然后测算储能-冲击循环的循环周期，直至其达到第一循环周期阈值时，通过电子开关控制电机停机，从而输出预定量扭矩。

2.根据权利要求1所述的冲击扭矩电动工具，其特征在于：电机转速恒定之前，所述控制器还测算该时刻电机实测转速相对应的第二循环周期阈值和对应该储能-冲击循环的循环周期，直至测算的循环周期达到该第二循环周期阈值时为止，从而实现电机高效工作。

3.根据权利要求1所述的冲击扭矩电动工具，其特征在于：所述储能-冲击组件包括：套于传动轴外的储能弹簧、设于该传动轴的导向柱上的导向槽及该槽内的滚珠、连接该储能弹簧的储能冲击块及输出冲击块。