IT202100017990A1 - Chiave dinamometrica elettronica dotata di sensore di misurazione dell’angolo di serraggio. - Google Patents

Description

Chiave dinamometrica elettronica dotata di sensore di misurazione dell?angolo di serraggio.

La presente invenzione si riferisce ad una chiave dinamometrica elettronica dotata di sensore di misurazione dell?angolo di serraggio. In particolare la presente invenzione riguarda una chiave dinamometrica dotata di giroscopio per la misurazione dell?angolo di serraggio.

Sono noti nella tecnica attrezzi di serraggio o chiavi che comprendono un corpo, contenente i vari organi di controllo e, eventualmente, di azionamento, al quale viene accoppiato uno di diversi inserti rimuovibili, ciascuno dei quali ? destinato ad impegnare un corrispondente tipo di organo meccanico (ad esempio, la testa di una vite, con accoppiamento maschio o femmina) sul quale l?attrezzo ? destinato ad agire.

Gli attrezzi elettronici di tale tipo comprendono sensori, fra i quali un sensore di coppia, per la rilevazione della coppia esercitata sull?organo meccanico e altre grandezze di interesse, cos? da permettere un serraggio dell?organo meccanico, che mediante opportuni sensori e mezzi di elaborazione, mostra all?operatore se si ? raggiunta la coppia di serraggio desiderata.

Nel brevetto EP2326464 ? descritto un attrezzo di tale tipo sotto forma di una chiave dinamometrica, che comprende un corpo, contenente i circuiti di controllo e unit? di elaborazione della chiave, da un lato una impugnatura (vantaggiosamente contenente batterie ricaricabili di alimentazione della chiave) e dall?altro lato un braccio. Sul corpo ? vantaggiosamente presente un display di visualizzazione di informazioni e dati operativi ed una tastiera che permette di inserire dati e comandi. In una apposita sede posta all?estremit? del braccio ? inserita in modo intercambiabile una testa utensile che si deve accoppiare con il tipo di organo meccanico (ad esempio, la testa di una vite, con accoppiamento maschio o femmina) sul quale la chiave ? destinata ad agire.

I sensori che misurano la coppia da esercitare sull?organo da serrare sono posti sul braccio e comprendono almeno un estensimetro, che ? un sensore la cui resistenza elettrica varia con la deformazione che lo stesso subisce; quindi converte la forza, la pressione, la tensione, il peso, ecc., in una variazione di resistenza elettrica che pu? essere misurata.

Il valore della coppia esercitata ? disponibile normalmente sul display della chiave oppure viene indicata in prossimit? di esso tramite apposite segnalazioni luminose e/o acustiche. I segnali dai sensori presenti sul braccio vengono trasmessi all?unit? centrale di elaborazione.

Il valore della coppia di serraggio non ? l?unico parametro che determina se il serraggio ? stato fatto in modo soddisfacente. Ci sono infatti altri parametri e condizioni che potrebbero essere monitorate per verificare se l?attrezzo di serraggio ? stato utilizzato in modo corretto e per verificare se il giunto ? stato serrato secondo le specifiche desiderate.

Talvolta per verificare il funzionamento corretto di una chiave dinamometrica si misura anche l?angolo di serraggio tramite un giroscopio con cui la chiave viene equipaggiata. L?angolo di serraggio infatti fornisce diverse informazioni utili sul serraggio che permettono di capire se l?accoppiamento fra i materiali serrati ? avvenuto correttamente.

Normalmente la precisione delle misure che il giroscopio effettua ? influenzata dalla temperatura e da altri fattori esterni. Infatti, per i sensori giroscopici bisogna tener conto dell'ambiente in cui verr? installato. Per questo motivo la richiedente ha sviluppato un algoritmo per compensare gli effetti degli sbalzi di temperatura legati all?ambiente operativo dove si trova la chiave.

La presente invenzione si propone di ovviare a tale inconveniente fornendo una chiave dinamometrica in cui il segnale del giroscopio ? ulteriormente elaborato per compensare gli effetti delle variazioni di temperatura.

Un aspetto della presente invenzione riguarda una chiave dinamometrica avente le caratteristiche della rivendicazione 1.

Un ulteriore aspetto della presente invenzione riguarda un metodo per compensare gli scostamenti del segnale di angolo misurato da un giroscopio integrato in una chiave dinamometrica avente le caratteristiche della allegata rivendicazione 9.

Un ulteriore aspetto della presente invenzione riguarda un metodo per compensare gli scostamenti del segnale di angolo misurato da un giroscopio integrato in una chiave dinamometrica avente le caratteristiche della allegata rivendicazione 10.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

- le figure 1a-1e rappresentano esemplificativamente una chiave dinamometrica secondo la presente invenzione;

- la figura 2 illustra un grafico del segnale di un sensore giroscopico non compensato in temperatura.

- la figura 3 illustra un grafico del segnale di un sensore giroscopico compensato in temperatura in fase di taratura; - la figura 4 illustra un grafico del segnale di un sensore giroscopico elaborato secondo la presente invenzione;

- la figura 5 illustra un algoritmo di flusso del metodo di compensazione secondo la presente invenzione.

Con riferimento alle citate figure l?attrezzo di serraggio secondo la presente invenzione ? una chiave dinamometrica e comprende un corpo 11 contenente circuiti elettronici di controllo e da un lato di tale corpo una impugnatura 12 (preferibilmente contenente batterie ricaricabili di alimentazione dell?attrezzo) e dall?altro lato un braccio 13.

Sul corpo 11 ? vantaggiosamente presente un display 14 di visualizzazione di informazioni e dati operativi ed una apposita tastiera 15 permette di inserire dati e comandi.

Naturalmente, ? inteso che nel caso la elaborazione o memorizzazione dei dati richiedesse una unit? non agevolmente o completamente contenibile nel corpo 11, il corpo 11 pu? venire collegato, mediante un cavo o una connessione senza fili, ad unit? di elaborazione esterne. Una connessione cablata pu? anche essere prevista per fornire una alimentazione esterna.

In una opportuna sede 16 alla estremit? del braccio 13 sono alternativamente innestabili una pluralit? di inserti. Ad esempio, ciascun inserto sar? adatto ad impegnare la chiave con una corrispondente tipologia e/o dimensione di organo meccanico o elemento (vite, dado, ecc.) sul quale l?attrezzo ? destinato ad agire. Sebbene per semplicit? sono mostrati inserti tutti di dimensione similare, possono anche essere previsti inserti allungati o con bracci di forma particolare, come noto nel campo.

Ciascun inserto pu? comprendere all?interno un trasponder in posizione adatta (tipicamente nel codolo di innesto alla sede 16) per accoppiarsi ad una opportuna antenna prossima alla sede 16 stessa quando montato sull?attrezzo.

Le modalit? di accoppiamento fra trasponder e antenna per l?attivazione del trasponder (solitamente noto come ?tag?) e la comunicazione sono largamente note e non saranno perci? qui descritte in dettaglio.

L?attrezzo comprende sensori di coppia esercitata sull?organo meccanico, realizzati con gruppi di estensimetri preferibilmente disposti nel braccio.

Inoltre, la chiave comprende un sensore di angolo, ad esempio un giroscopio, in grado di misurare l?angolo di rotazione della chiave mentre effettua un?operazione di serraggio.

L?angolo di rotazione che effettua la chiave durante il serraggio ? un importante parametro per comprendere se la coppia di serraggio esercitata ? quella corretta ed impostata.

Il giroscopio misura tipicamente la velocit? di rotazione quindi l?angolo di rotazione ? ottenuto mediante una integrazione singola. Normalmente quando la chiave ? ferma il segnale misurato corrisponde ad angolo zero, quando si accende la chiave e si imposta lo zero del sensore, mentre il valore del segnale si incrementa quando si effettua una rotazione in un verso (ad esempio oraria), mentre si decrementa quando si impartisce una rotazione nell?altro verso (ad esempio antioraria). Il valore zero ? teoricamente sempre al centro della scala massima di misurazione del sensore.

Come gi? indicato la precisione delle misure che il giroscopio effettua sono influenzate da fattori esterni (in particolare ambientali), quali ad esempio variazioni della temperatura o la forza di gravit?. In particolare sono rilevanti le fluttuazioni del valore del segnale corrispondente ad angolo zero, cio? quando la chiave ? ferma (a riposo) ed attiva.

Nel grafico di figura 2 si illustrano le misurazioni effettuate da un giroscopio non compensato in temperatura. In particolare in un tempo di osservazione di circa 90 minuti ed una variazione di temperatura da circa -5 a 20 ?C, con una misurazione teorica di angolo a 0? (chiave ferma) si ricevono misurazioni con oscillazioni di angolo da 10 a 80 gradi di angolo.

Sempre da tale grafico si evince che dal fattore corrispondente al coefficiente angolare della retta, si registra una variazione di 0,8855 ?/min, che corrispondono a 0,8855?/min *88 min = 77,9 ? di deviazione.

Quindi, la presente invenzione propone di dotare l?unit? elettronica di elaborazione della chiave di mezzi per compensare gli scostamenti del valore del segnale di angolo ricevuto del giroscopio, dovuto a fattori esterni, quali ad esempio variazioni di temperatura, basati su un algoritmo di compensazione che corregge il valore del segnale di angolo zero ricevuto dal giroscopio.

Ai fini della presente invenzione per chiave attiva ed in posizione di riposo si intende che la chiave ? accesa, non ? in carica connessa ad un dispositivo di ricarica, non ? impugnata da un operatore che sta effettuando una operazione di serraggio.

Tali mezzi comprendono una tabella di corrispondenza tra temperatura e segnale di angolo zero reale fornito dal giroscopio, quando la chiave ? attiva ed in condizioni di riposo.

In particolare, nella tabella si memorizza lo scostamento tra segnale di zero reale ricevuto da quello teorico (al centro della scala di misura).

Tale tabella viene ottenuta durante una fase di taratura della chiave, nella quale la chiave attiva ed a riposo viene sottoposta a variazioni di temperatura a partire da un valore minimo fino ad un massimo e durante questo periodo viene rilevato il segnale di angolo, che corrisponde al valore di angolo zero, in quanto durante la fase di taratura la chiave ? ferma e non ruota.

Inoltre, la tabella pu? anche essere ottenuta o corretta tramite auto apprendimento, poich? la chiave ? dotata di sensore di temperatura e quindi pu? andare a correggere la tabella man mano che rileva dei nuovi valori, durante il normale utilizzo differenti da quelli impostati inizialmente con una taratura semplice per due punti.

Un adatto intervallo di temperature di osservazione ? compreso tra -10 e 30 gradi centigradi, pi? preferibilmente compreso tra -5 e 25 gradi centigradi. Normalmente un intervallo riferito alle normali condizioni industriali potrebbe essere anche tra -10? and 40?.

La tabella viene memorizzata e poi utilizzata per confrontare il valore di angolo misurato durante un serraggio. Conoscendo la temperatura ambiente, in quanto la chiave ? dotata normalmente di un sensore di temperatura, o il giroscopio ne ? altres? dotato, e conoscendo dalla tabella di quanto differisce il segnale zero reale da quello teorico a quella temperatura, si ottiene il valore di angolo durante il serraggio compensato.

Utilizzando un giroscopio commercialmente disponibile come quello della BOSCH modello BIM055 a 16 BIT, abbiamo un intervallo di misurazione tra 0 (in binario, stringa di sedici bit a 0) e 65535 (in binario, stringa sedici bit a 1).

Il giroscopio misura angoli positivi per rotazioni orarie e negativi per rotazioni antiorarie, mantenendo lo zero al centro dell?intervallo tra 0 e 65535. Quindi, la misurazione teorica di angolo zero ? a 32767 (in binario 0111111111111111).

Se monitorando il segnale grezzo del giroscopio trovo in realt? ad esempio 32928 (in binario, 1000000010100000), lo scostamento tra il segnale teorico che dovrei ricevere e quello reale ? di 161.

Tale scostamento varia con il variare della temperatura. La tabella di corrispondenza successiva sintetizza quanto sopra indicato.

Sono visibili scostamenti compresi tra 150 e 163 per variazioni di temperatura compresi tra -10 e 30 gradi centigradi.

Quindi in fase di serraggio al valore di angolo ricevuto da giroscopio ad una data temperatura ambiente baster? sottrarre il valore contenuto nella suddetta tabella per ottenere il valore corretto di angolo di rotazione durante il serraggio.

Nel grafico di figura 3 si illustra un risultato di tale compensazione Osserviamo che in un analogo tempo di osservazione di circa 90 minuti ed una variazione di temperatura da circa -5 a 20 ?C, con una misurazione teorica di angolo a 0? (chiave ferma) si ricevono misurazioni con oscillazioni di angolo da circa 0 a 25 gradi di angolo. Quindi l?algoritmo riduce l?errore, rispetto al grafico di figura 1.

Il metodo per compensare gli scostamenti del segnale di angolo misurato da un giroscopio integrato in una chiave dinamometrica quando tale chiave dinamometrica ? attiva comprende le seguenti fasi:

? almeno una fase di taratura in cui la chiave a riposo e attiva viene sottoposta a variazioni di temperatura a partire da un valore minimo fino ad un massimo e durante questo periodo viene rilevato dal giroscopio il segnale di angolo, che corrisponde al valore di angolo zero, ed in cui viene memorizzata una tabella di corrispondenza tra valori di angolo misurati (offset T) e temperatura rilevata,

? una fase di serraggio in cui al valore del segnale di angolo ricevuto istante per istante dal giroscopio viene sottratto il segnale memorizzato in tale tabella alla temperatura attuale misurata dal sensore di temperatura della chiave o del giroscopio.

La presente invenzione propone un ulteriore perfezionamento a tale algoritmo di compensazione che realizza una correzione istante per istante del segnale ricevuto dal giroscopio.

Tali mezzi quando la chiave ? attiva ed in condizione di riposo (o di attesa di effettuare la misurazione) monitorano ciclicamente, ad istanti predeterminati successivi dipendenti dalla frequenza di campionamento del giroscopio, (istante i, i+1, i+2?. il segnale di zero del giroscopio stesso e a fronte di un numero predeterminato di scostamenti rilevati di tale segnale rispetto a quello precedentemente rilevato sopra una soglia predeterminata, riposizionano lo zero del giroscopio in corrispondenza dell?ultimo valore rilevato.

Secondo un aspetto della presente invenzione tali mezzi rilevano ad istanti predeterminati il segnale dal giroscopio, calcolano se vi ? un incremento predeterminato rispetto al valore precedentemente acquisito. Ad ogni incremento del segnale ricevuto viene incrementato un contatore. In modo analogo, ad ogni decremento del segnale ricevuto viene decrementato il contatore.

Quando tale contatore supera tale soglia di contatore predeterminata positiva o negativa, viene ridefinito il valore corrispondente all?angolo zero aumentando l?offset precedentemente memorizzato ed il contatore viene azzerato.

Tale procedura si ripropone ciclicamente fino a che la condizione di chiave a riposo e attiva non viene modificata, ad esempio per l?inizio di una operazione di serraggio per lo spegnimento della chiave stessa.

Nel grafico di figura 4 si illustra la variazione dell?angolo misurato dal giroscopio dopo la compensazione con monitoraggio ciclico. Come si pu? notare la curva tende ad essere molto pi? piatta rispetto a quelle di figura 2 e 3, in quanto le variazioni dell?angolo misurato rispetto allo zero sono molto inferiori.

Tali mezzi di correzione possiedono il vantaggio di essere esterni al giroscopio e quindi possono essere applicati a qualunque tipo di giroscopio avente un segnale di angolo in forma digitale o che possa essere digitalizzato.

Il metodo per compensare gli scostamenti del segnale di angolo misurato da un giroscopio integrato in una chiave dinamometrica comprende la ripetizione ciclica delle seguenti fasi finch? tale chiave dinamometrica ? attiva e a riposo:

? ricevere ad istanti predeterminati un segnale di angolo dal giroscopio attivo che corrisponde istante per istante al segnale di angolo zero,

? quando un incremento del valore del segnale di angolo ricevuto ? maggiore di una soglia di incremento preimpostata incrementare un contatore e quando un decremento del valore del segnale di angolo ricevuto ? maggiore di una soglia di decremento preimpostata decrementare lo stesso contatore, ? se il contatore supera un limite superiore positivo o un limite inferiore negativo si aumenta l?offset precedentemente memorizzato che andr? aggiunto o sottratto all?ultimo valore rilevato e riportare a zero il valore del contatore.

Nella figura 5 si illustra un algoritmo di flusso che opera secondo il metodo compensare gli scostamenti (correzione istante per istante) secondo la presente invenzione.

In tale algoritmo in una prima porzione preliminare si monitora se parte di pre-impostazione, oltre a compensare gli effetti della temperatura come sopra descritto utilizzando la tabella di corrispondenza tra temperatura e segnale di angolo zero reale fornito dal giroscopio, quando la chiave ? attiva ed in condizioni di riposo (step AAS = Raw ? Offset ? Offset(T)), si verifica se la correzione online sia abilitata e se la chiave non fosse in una operazione di serraggio (step Abs(AAS) > 1?/s).

Se cosi non fosse dopo aver effettuato ?un conto alla rovescia? utilizzando il timer (step T) preimpostato si passa alla vera e propria porzione di correzione online.

In particolare si misura la velocit? angolare AAS e la si confronta istante per istante per comprendere se si incrementa o si decrementa nel tempo di un valore di soglia preimpostato (nel caso in esempio 0,1 gradi per secondo). Nel caso di incremento superiore alla soglia si incrementa il contatore Count e nel caso di decremento superiore alla soglia si decrementa il contatore Count (step incremento/decremento I)

Quando il valore assoluto del contatore supera tale soglia di contatore predeterminata (nel caso in esempio 600) si procede ad aumentare l?offset di 1 se il segno del contatore ? negativo e di diminuire di uno se il segno del contatore ? positivo, compensando di fatto lo scostamento dallo zero reale. (step ricalcolo offset RO) L?ultima porzione dell?algoritmo prevede il calcolo dell?angolo di offset effettuano l?integrazione del valore di velocit? angolare AAS e rapportandolo alla scala di misura (step C)

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Chiave dinamometrica dotata di sensore di misurazione dell?angolo di serraggio comprendente

? un corpo (11), contenente circuiti di controllo ed una unit? elettronica di elaborazione avente ad una estremit? una impugnatura (12) per la presa di un operatore che effettua il serraggio, ed all?altra estremit? un braccio (13)

? tale braccio alla sua estremit? libera comprende una sede (16) in cui sono alternativamente innestabili una pluralit? di inserti adatti ad impegnare l?attrezzo con una corrispondente tipologia e/o dimensione di un organo meccanico sul quale l?attrezzo ? destinato ad agire per effettuare una operazione di serraggio,

? su tale braccio essendo presente un giroscopio di misurazione dell?angolo di serraggio,

caratterizzato dal fatto che l?unit? elettronica di elaborazione della chiave comprende mezzi per compensare gli scostamenti del valore del segnale di angolo ricevuto del giroscopio, basati su un algoritmo di compensazione che corregge il valore del segnale di angolo zero ricevuto dal giroscopio.

2. Chiave secondo la rivendicazione 1 in cui tali mezzi comprendono una tabella di corrispondenza tra temperatura e segnale di angolo zero reale fornito dal giroscopio, memorizzata in tale unit? di elaborazione e ottenuta durante una fase di taratura della chiave, nella quale la chiave viene sottoposta a variazioni di temperatura a partire da un valore minimo fino ad un massimo e durante questo periodo viene rilevato il segnale di angolo.

3. Chiave secondo la rivendicazione 2 in cui la tabella pu? anche essere ottenuta o corretta tramite auto apprendimento, poich? la chiave ? dotata di sensore di temperatura e quindi pu? andare a correggere la tabella man mano che rileva dei nuovi valori, durante il normale utilizzo differenti da quelli impostati inizialmente.

4. Chiave secondo la rivendicazione 3, in cui in tale tabella si memorizza per valori di temperatura prefissati lo scostamento tra segnale di zero reale ricevuto da quello teorico.

5. Chiave secondo la rivendicazione 3, in cui tali mezzi durante la fase di serraggio della chiave ad una temperatura misurata, compensano il valore di angolo misurato con il valore di scostamento memorizzato in tale tabella per quella temperatura misurata.

6. Chiave secondo la rivendicazione 1, in cui tali mezzi monitorano ciclicamente, ad istanti predeterminati successivi (istante i, i+1, i+2?) il segnale di zero del giroscopio stesso e a fronte di un numero predeterminato di scostamenti rilevati di tale segnale rispetto a quello precedentemente rilevato sopra una soglia predeterminata, riposizionano lo zero del giroscopio in corrispondenza dell?ultimo valore rilevato.

7. Chiave secondo la rivendicazione 6, in cui ad ogni incremento del segnale ricevuto viene incrementato un contatore e ad ogni decremento del segnale ricevuto viene decrementato lo stesso contatore, quando tale contatore supera tale soglia predeterminata positiva o negativa dell?ultimo valore rilevato dal giroscopio viene considerato il valore corrispondete a zero gradi di rotazione del giroscopio ed il contatore viene azzerato.

8. Chiave secondo la rivendicazione 1, comprendente ulteriormente un sensore di temperatura.

9. Metodo per compensare gli scostamenti del segnale di angolo misurato da un giroscopio integrato in una chiave dinamometrica quando tale chiave dinamometrica ? attiva e a riposo, tale metodo comprendendo le seguenti fasi:

? una fase di taratura in cui la chiave viene sottoposta a variazioni di temperatura a partire da un valore minimo fino ad un massimo e durante questo periodo viene rilevato dal giroscopio il segnale di angolo, che corrisponde al valore di angolo zero, ed in cui viene memorizzata una tabella di corrispondenza tra valori di angolo misurati e la temperatura rilevata,

? una fase di serraggio effettuato con tale chiave in cui la chiave ruota ed al valore del segnale di angolo ricevuto istante per istante durante la rotazione dal giroscopio viene sottratto il segnale memorizzato in tale tabella alla temperatura attuale misurata dal sensore di temperatura della chiave o del giroscopio.

10. Metodo per compensare gli scostamenti del segnale di angolo misurato da un giroscopio integrato in una chiave dinamometrica che comprende la ripetizione ciclica delle seguenti fasi finch? tale chiave dinamometrica ? attiva e a riposo:

? ricevere ad istanti predeterminati un segnale di angolo dal giroscopio attivo che corrisponde istante per istante al segnale di angolo zero,

? quando un incremento del valore del segnale di angolo ricevuto ? maggiore di una soglia di incremento preimpostata incrementare un contatore e quando un decremento del valore del segnale di angolo ricevuto ? maggiore di una soglia di decremento preimpostata decrementare lo stesso contatore, ? se il contatore supera un limite superiore positivo o un limite inferiore negativo si aumenta l?offset precedentemente memorizzato che andr? aggiunto o sottratto all?ultimo valore rilevato e riportare a zero il valore del contatore.