TWI752365B - 傾斜補償扭矩-角度扳手 - Google Patents

Abstract

一種確定由工具施加到工件的實際扭矩量和/或角度量的方法。在實施例中，該方法包括確定旋轉角度、工具的傾斜度、工具的測量扭矩。然後，基於旋轉角度、傾斜度和測量扭矩來確定施加到工件的實際扭矩量或角度量。

Description

傾斜補償扭矩-角度扳手

本發明大體涉及手持工具，例如扭矩扳手。更具體地，本發明涉及用於轉動角度和扭矩測量精確度的彎曲角度補償。

手持工具（例如扭矩扳手）用於接近緊固件並對緊固件施加扭矩。一些扭矩扳手包括迴旋頭（flex head），該迴旋頭允許扳手本體樞轉並且清除將會妨礙扭矩扳手的使用的部件。然而，扭矩扳手的頭部的彎曲會導致扭矩測量和角度測量方面的誤差。這是因為，當頭部彎曲時，扳手本體和感測器在與緊固件不同的平面中轉動。

本發明大體包括確定由工具提供的實際的緊固件扭矩和角度的方法。在一種實施例中，該方法包括確定旋轉角度、工具的傾斜度和工具的測量扭矩。然後，基於旋轉角度、傾斜度和測量扭矩來確定實際的緊固件扭矩或角度。

在實施例中，本發明大體包括具有一個或多個感測器的工具的操作方法。至少一個感測器同時測量在偏航軸和滾轉軸二者上的旋轉的角速率。該方法包括例如通過工具的處理器/控制器，使用旋轉的角速率來確定工具的旋轉角度和傾斜度。另外的感測器測量工具的扭矩，該方法還包括基於旋轉角度、傾斜度和測量扭矩來確定實際的緊固件扭矩。

在實施例中，本發明大體包括確定工具的調節扭矩或實際扭矩的方法。該方法包括確定工具的測量扭矩。該方法還包括確定工具的傾斜度。該方法還包括通過調節因數來調節測量扭矩。該調節因數包括：基於確定的傾斜度的工具長度與反應距離的比率。

為了便於理解所要保護的主題，在附圖中示出了其的實施例。通過審閱附圖，當結合以下描述考慮時，所要保護的主題的結構、操作和很多優點應該是容易理解和意識到的。

儘管本發明可以有許多不同形式的實施例，但是以下將結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細地描述，可以理解的是，以下公開的內容僅作為本發明原理的示例，並非旨在將本發明的廣泛方面限制於所示出的實施例。如本文中所用的，術語“本發明”並不旨在限制要求保護的發明範圍，而是僅出於解釋目的用於討論本發明的示例性實施例的術語。

本發明涉及一種確定由扳手提供的緊固件扭矩和/或角度的方法。在實施例中，該方法大體包括：確定旋轉角度、傾斜度，以及測量由扳手施加的扭矩。然而，由於扳手頭部的彎曲，測量扭矩可能是不準確的。在這種情況下，基於旋轉角度、傾斜度和測量扭矩，確定調節的緊固件扭矩或者實際施加的緊固件扭矩。

參考圖1和圖2，示出了扳手100，即扭矩扳手，其適於通過聯接到驅動器102的接合器或套筒對工件施加扭矩，驅動器102例如是雙向棘輪方形驅動器或者是雙向棘輪六角形驅動器。通常，驅動器102是“公”矩形突出部，設計成與母對應部（如圖示）匹配地接合，不過，驅動器可以具有適於與母對應部匹配地接合的任意橫截面形狀。或者，驅動器可以包括“母”連接器，該“母”連接器設計成匹配地接收公對應部。驅動器還可以構造成與工件直接接合而不用聯接到接合器或者套筒。

如將在下文中進一步詳細描述的，在實施例中，扳手100確定由扳手提供的調節的或者實際施加的緊固件扭矩。例如，該方法包括：確定扳手的旋轉角度和扳手的傾斜度，確定由扳手100施加到工件的測量扭矩量。調節的或者實際施加的緊固件扭矩的確定需考慮旋轉角度、傾斜度和測量到的由扳手100施加到工件的扭矩量。測量到的由扳手100施加的扭矩量、角度、傾斜度數據可以由扳手100和/或與扳手100通信的外部裝置以時間索引來記錄和存儲。

扭矩扳手100大體包括軸104，軸104連接到容納有驅動器102的頭部106。當棘輪轉動和扭轉時，頭部106圍繞驅動器102的中心軸線旋轉。軸104包括手柄108、控制單元110和頸部112。在實施例中，頸部112在軸104的與手柄108相對的一端聯接到頭部106，其是迴旋頭。迴旋頭能夠相對於手柄108彎曲或者傾斜，以允許更容易地與位於難以用常規的扭矩施加工具接近的區域中的工件接合。如圖示，公驅動器102相對於頭部106圍繞驅動器102的中心軸線旋轉所在的平面而從頭部106垂直地延伸。施加到手柄108的力使扳手100圍繞驅動器102的中心軸線旋轉地樞轉，從而將扭矩傳遞給與驅動器102接合的工件（未圖示）。

手柄108可以包括有紋理的握把，以在扭轉操作期間改善用戶對扳手100的抓握。控制單元110可以包括使用者介面114，例如是包括顯示器(例如包括顯示螢幕)118和至少一個按鈕116的觸覺使用者介面。顯示螢幕可以可選地是觸敏的，由控制單元110的處理器或者控制器執行的軟體或者固件提供虛擬的（virtual）螢幕上控制。

可以通過使用者介面114將指令和其他資訊直接輸入到扳手100中。在扭轉操作期間，顯示器118可以顯示資訊，例如扭矩、傾斜度和/或角度資訊。頭部106可以包括換向杆120，換向杆120用於改變棘輪機構的驅動方向（也稱為扭矩施加方向）。如將在下文中進一步詳細描述的，頭部106還容納有一個或多個感測器，其用於測量通過驅動器102施加到工件的扭矩量、頭部106和軸104的圍繞驅動器102的中心軸線的旋轉角度。頭部106還包括方向感測器（例如，加速度計），以確定軸線相對於“向下”（即，相對於重力）的角度。方向感測器還可以用於確定扳手100是否移動，以自動地將扳手100從低功率睡眠模式喚醒和/或檢測扳手100是否已經掉落以及可能需要重新校準。

圖3是概念性地示出了圖1的扳手100的電子部件的示例的方框圖。扳手100可包括：一個或多個控制器/處理器122、記憶體124，非易失性記憶體126，和無線通訊收發器128。每個控制器/處理器122可以包括電腦可讀指令和用於處理資料的中央處理單元（CPU）。處理器/控制器122通過匯流排130從資料記憶體124檢索指令，使用記憶體124用於指令和資料的運行時臨時存儲。記憶體124可以包括易失性和非易失性隨機訪問記憶體（RAM）。雖然在圖3中示出的部件通過匯流排130連接，但是部件還可以以除了通過匯流排130連接到其它的部件之外的方式連接到其它的部件，或者，部件還可以以取代通過匯流排130連接到其它部件的方式連接到其它的部件。

資料記憶體126可以包括一種或多種類型的非易失性固態記憶體，例如快閃記憶體、唯讀記憶體（ROM）、磁阻RAM（MRAM）、相變記憶體等等。扳手100還可以包括輸入/輸出介面，輸入/輸出介面連接到可移除的或外部的非易失性記憶體和/或存儲器（例如，可移除存儲卡、記憶體金鑰驅動器、網路記憶體等等）。這種輸入/輸出介面可以是有線的或者是嵌入式介面（未圖示）和/或可以包括無線通訊收發器128。

用於操作扳手100及其各種部件的電腦指令可以由控制器/處理器122執行，使用記憶體124作為運行時的臨時“工作”記憶體。電腦指令可以以非暫時性方式存儲在非易失性記憶體124、存儲器126或者外部設備中。可選地，一些或者全部的可執行指令可以嵌入在硬體中或者固件中（作為軟體的附加或替代）。

扳手100可以包括多個輸入和輸出介面。這些介面包括與處理器/控制器122通信的收發器128、一個或多個按鈕116a/116b、一個或多個發光二極體（LED）132、揚聲器(或者音訊換能器)134、觸覺振動器136、一個或多個扭矩感測器138、一個或多個角度感測器140、以及方向感測器142。扭矩感測器138例如可以包括扭矩轉換器（transducer）、應變儀、磁彈性扭矩感測器和表面聲波（surface acoustic wave，SAW）感測器中的一個或多個。角度感測器140例如可以包括旋轉角度感測器或者陀螺儀（例如，3DMEMS陀螺儀）。方向感測器142例如可以包括加速計，並感測運動。

根據所使用的扭矩感測器138的類型，模數（A/D）轉換器144可以接收來自扭矩感測器138的類比信號，將數位信號輸出給處理器/控制器122。同樣地，A/D轉換器146可以接收來自角度感測器140的類比信號，A/D轉換器148可以接收來自方向感測器142的類比信號，將數位信號輸出給處理器/控制器122。A/D轉換器可以是離散的、與處理器/控制器122集成在一起/集成在處理器/控制器122中，或者，與它們對應的感測器集成在一起/集成在它們對應的感測器中。

A/D轉換器的數量和需求取決於每個感測器所使用的技術。可以提供多個A/D轉換器以根據需要適應盡可能多的信號，例如，在角度感測器140為多個陀螺儀軸提供模擬輸出。信號調節電子設備（未圖示）也可以作為獨立電路被包括，其與處理器/控制器122集成在一起/在處理器/控制器122中，或者，與對應的感測器集成在一起/在對應的感測器中，以將由感測器的部件生成的非線性輸出轉換成線性信號。

由處理器/控制器122執行的指令接收從感測器輸出的資料，例如扭矩、傾斜度、角度值和測量值。根據該資料，處理器/控制器122可以確定各種資訊，例如，由扳手100施加的調節的或者實際的扭矩、已經施加到工件或者應該施加到工件的扭矩的持續時間等。

感測器資料和資訊可以即時記錄或者以預定的取樣速率記錄，並且存儲在記憶體124和/或存儲器126中。感測器資料和資訊還可以通過收發器128傳輸到外部設備以用於進一步的分析和檢查。

“資料”包括數值，數值被處理以使它們成為有意義的或有用的“資訊”。然而，如本文中所使用的，術語資料和資訊應該被解釋為可互換的，資料包括資訊，資訊也包括資料。例如，在資料被存儲、發送、接收或輸出的情況下，其可以包括資料、資訊或者它們的組合。

扳手100還包括電源150，電源150為處理器/控制器122、匯流排130和其他的電子部件供電。例如，電源150可以是佈置在手柄108中的一個或多個電池。然而，電源150並不限於電池，還可以使用其他的技術（例如燃料電池）。扳手100還可以包括：用於對電源150再充電的部件（例如，有機電池或聚合物光伏電池），和/或用於接收外部電荷的介面（例如，通用序列匯流排（USB）埠，或者感應感測器（Inductive Pick-up）），以及相關聯的充電控制電子設備。

顯示器118可以由處理器/控制器122執行的軟體/固件使用，以顯示供使用者/技術人員查看和理解的資訊。這些資訊可以被格式化為文本、圖形或者它們的組合。當資訊（例如，通過與顯示器118本身集成在一起的按鈕116和/或觸敏介面）進入扳手100時，顯示器118還可以用於提供回饋。顯示器118可以是液晶顯示器（LCD）、有機發光二極體（OLED）顯示器、電子紙顯示器或者具有合適的功耗要求和具有便於集成到控制單元110中的體積的任何種類的黑白或者彩色顯示器。

參考圖1至圖4，如上所述，當頭部106相對於軸104傾斜一定角度時，扭矩扳手100採用3DMEMS陀螺儀來測量角度和傾斜資訊。例如，測量旋轉角度，以及旋轉角度可以由處理器/控制器122或者3DMEMS陀螺儀通過對偏航軸（例如，Z軸）和滾轉軸（例如，X軸）的旋轉的角速率（例如，角速度）作時間積分來確定。當扳手100旋轉時，偏航軸測量扳手100的旋轉，滾轉軸測量傾斜度。

在偏航軸上的旋轉角度（例如，以度為單位）可以表示為：

ACF例如通過處理器/控制器122以以下方式確定：基於當扳手100僅在偏航平面上通過固定的180度旋轉時角度感測器140的輸出，減去在零旋轉處的輸出，並確定測量角度和實際角度之間的差異。

參考圖5，示出了偏航軸速率（Z）、滾轉軸速率、補償傾斜速率（Z’）和傾斜角度（Ѳ）之間的關係。例如，如果扳手100由於頭部106的傾斜（X）而偏離偏航平面，則速率（Z）小於實際速率（Z’），其與傾斜角度（Ѳ）成比例。基於角度感測器140在偏航軸和滾轉軸中的輸出速率，傾斜角度例如通過處理器/控制器122確定。

利用Z、X、Z’和Ѳ之間的關係，匯出下列方程式：

其中：

Z’=傾斜補償角度；

Z=積分的Z軸速率；

X=積分的X軸速率。

參考回圖1-3，在操作中，扳手100對工件（例如緊固件）施加扭矩。通常，當扳手100被校準時，它具有限定的校準長度。校準長度（A）是當頭部106相對於扳手100的軸104沒有傾斜或者樞轉時，從反應點152到驅動器102的中心154的距離。扳手100的頭部106的傾斜將導致從反應點152到驅動器102的中心154的長度（A）發生改變（示出為第二長度或傾斜長度A’）。例如，扳手100可以傾斜一定角度（Ѳ）。

當扳手100的頭部106傾斜時，從反應點152到驅動器102的中心154的距離減小（示出為A’）。這導致測量到的由扳手100施加的扭矩量不同於（特別地大於）由扳手100施加到工件的實際扭矩量（例如，實際施加的扭矩）。因此，為了正確地確定和顯示施加到工件的實際扭矩量，扳手100（例如使用處理器/控制器112）調節感測器的輸出，以及調節來自於一個或多個感測器的輸出，如下所述：

迴旋頭的使用引入了扭矩和轉動/旋轉角度測量的誤差。例如，在15度彎曲角度（即，頭部106相對於軸104傾斜約15度）時，這些誤差可能是讀數的3-4%。該扳手100的優點在於它使用陀螺儀的輸出來確定彎曲角度。當扳手100沒有彎曲但扳手100轉動時，僅陀螺儀的偏航軸將產生讀數。該偏航軸讀數被校準為與緊固件的旋轉角度相等，這對於很多緊固件而言是重要的緊固因數。當扳手100的軸104相對於頭部106或者緊固件轉動平面傾斜/彎曲時，偏航軸的陀螺儀讀數減小，陀螺儀的滾轉軸檢測到運動。這兩個軸的組合產生用於彎曲角度的確定。該角度確定應用於扭矩和角度的方程式/公式，例如使用上述的處理器/控制器122以基於一個或多個感測器的輸出來產生補償值，從而補償這些固有的不精確性。

另外的優點是不需要事先知道彎曲角度，因為它是在扳手100處於操作中時由陀螺儀測量的。例如，所描述的發明使用陀螺儀的所有三個軸來測量扭矩施加操作期間的實際的扳手彎曲角度。這比使用傳統的重力感測器或者加速度計更有益，其限於與水平面的偏離而不能直接確定扳手的彎曲角度。扳手100（通過一個或多個感測器和/或通過處理器/控制器122）通過同時集成來自於數位陀螺儀的三個軸中的兩個軸的讀數來確定實際彎曲角度。該結果獲得了實際彎曲角度。該實際彎曲角度可以用於補償在工件的扭轉期間發生的旋轉角度的不準確性。這些旋轉角度的不準確性的存在是由於扳手100的軸104在與頭部106或者緊固件不同的平面中的轉動。

此外，扳手100（通過一個或多個感測器和/或通過處理器/控制器122）補償由於迴旋頭的使用而導致的扭矩不準確。當頭部106相對於軸104彎曲時，扳手100的有效長度隨著投射到緊固件轉動平面上而變短。因此，用於補償旋轉角度的相同步驟，以及用於扳手100的有效長度的代數方程式，也可以應用於補償扭矩讀數的不準確性。作為結果，當扳手100旋轉而處於彎曲位置時，在具有迴旋頭部106的扳手100上的補償扭矩和旋轉角度讀數包括：確定旋轉扭矩扳手100的傾斜角度，補償在旋轉期間在多個軸上的角度測量誤差，以及補償在旋轉期間在多個軸上的扭矩測量傾斜誤差。

根據本發明的實施例，計算由扳手100提供的施加到工件的扭矩量（也稱為調節的或者實際施加的扭矩）可以包括：確定扳手100的旋轉角度（例如，基於測量到的偏航軸（Z）速率和滾轉軸（X）速率），確定扳手100的傾斜度（Ѳ），測量扳手100的扭矩（例如，扳手扭矩，或者來自於扭矩感測器的測量扭矩量）。可以基於旋轉角度、傾斜度和測量扭矩量，來確定施加到工件的扭矩量。角度感測器140（例如，數位陀螺儀）可以同時測量在偏航軸和滾轉軸二者上的旋轉的角速率。可以通過將測量的旋轉的角速率進行時間積分來確定旋轉角度。可以使用測量的旋轉的角速率來確定傾斜度。應當理解，本文中描述的確定可以部分地或者全部地由處理器/控制器122執行。

在操作期間，扳手100（例如，工具）可以包括：使緊固件與頭部106/驅動器102接合，對緊固件施加扭矩操作。感測器（例如，角度感測器140）同時測量在偏航軸和滾轉軸二者上的旋轉的角速率。扳手100的旋轉角度例如由處理器/控制器122使用從（一個或多個）感測器輸出的旋轉的角速率來確定。扳手100的傾斜度例如由處理器/控制器122使用從（一個或多個）感測器輸出的旋轉的角速率來確定。扭矩感測器138還測量扳手100的扭矩。實際的緊固件扭矩例如由處理器/控制器122基於旋轉角度、傾斜度和由（一個或多個）感測器輸出的扭矩資訊來確定。

由扳手100施加的實際的或者調節的扭矩例如可以由處理器/控制器122基於來自於扭矩感測器138的測量扭矩、扳手100的傾斜度來確定。測量扭矩通過調節因數來調節。調節因數可以是基於確定的傾斜度的扳手長度（例如，第一距離或者長度A）與反應距離（例如，第二距離或長度A’）的比率。例如，反應距離（例如，A’）是當扳手100傾斜時，從反應點152到驅動器102的中心154的距離。

如本文中所使用的，術語“聯接”及其功能等同特徵並不意味著必須限制於兩個或者更多部件的直接的機械聯接。相反，術語“聯接”及其功能等同特徵旨在表示兩個或者更多物體、特徵、工件和/或環境物質之間的任何直接的或者間接的機械聯接、電氣聯接或者化學聯接。“聯接”在某些實施例中也旨在表示一個物體與另一個物體集成為一體。

在前面的描述中和附圖中所闡述的內容僅作為示例提出而不是作為限制。雖然已經示出和描述了特定實施例，但是對於本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離發明者貢獻的更廣泛方面的情況下，可以進行改變和變形。當基於現有技術以它們合適的角度考慮時，所尋求的實際保護範圍旨在由下面的申請專利範圍所限定。

100:扳手 102:驅動器 104:軸 106:頭部 108:手柄 110:控制單元 114:使用者介面 116、116a、116b:按鈕 118:顯示器 120:換向杆 122:控制器/處理器 124:記憶體 126:存儲器 128:收發器 130:匯流排 132:發光二極體 134:揚聲器 136:觸覺振動器 138:扭矩感測器 140:角度感測器 142:方向感測器 144、146、148:模數轉換器 150:電源 152:反應點 154:中心 A、A’:長度 θ:角度 X:測量的X軸速率 Z:測量的Z軸速率 Z’:傾斜補償速率

圖1是工具（例如扭矩扳手）處於未彎曲位置時的側視圖。 圖2是圖1的工具處於彎曲位置時的側視圖。 圖3是概念性地示出圖1的扭矩扳手的電子部件的方框圖。 圖4是用於工具（例如扭矩扳手）的旋轉的偏航軸、滾轉軸和俯仰軸的圖。 圖5是示出了傾斜角度、測量的滾轉軸速率、測量的偏航軸速率、和補償的傾斜速率之間的關係的圖。

θ:傾斜角度

X:測量的X軸速率

Z:測量的Z軸速率

Z’:傾斜補償速率

Claims (11)

1. 一種測量由具有頭部的工具施加到工件的扭矩量的方法，包括：測量所述頭部的旋轉角度；測量所述頭部的傾斜度；測量由所述頭部施加到所述工件的扭矩量，從而產生測量扭矩值；以及基於所述旋轉角度、所述傾斜度和所述測量扭矩值，調節所述測量扭矩值。
2. 如申請專利範圍第1項所述的測量由具有頭部的工具施加到工件的扭矩量的方法，所述測量所述旋轉角度的步驟包括：使用陀螺儀測量所述旋轉角度。
3. 如申請專利範圍第1項所述的測量由具有頭部的工具施加到工件的扭矩量的方法，所述測量所述旋轉角度的步驟包括：使用陀螺儀測量在偏航軸和滾轉軸二者上的旋轉的角速率。
4. 如申請專利範圍第3項所述的測量由具有頭部的工具施加到工件的扭矩量的方法，所述測量所述旋轉角度的步驟包括：在一段時間上對所述旋轉的角速率進行積分。
5. 如申請專利範圍第3項所述的測量由具有頭部的工具施加到工件的扭矩量的方法，所述測量所述工具的傾斜度的步驟基於所述旋轉的角速率。
6. 一種適於對工件施加扭矩的工具，該工具包括： 陀螺儀，適於測量在偏航軸和滾轉軸二者上的旋轉的角速率；扭矩感測器，適於測量由所述工具施加到所述工件的扭矩量，從而產生測量扭矩值；以及控制器，與所述陀螺儀和所述扭矩感測器通信，其中所述控制器適於：從陀螺儀接收所述旋轉的角速率；基於所述旋轉的角速率來確定所述工具的旋轉角度；基於所述旋轉的角速率來確定所述工具的傾斜度；接收所述測量扭矩值；以及基於所述旋轉角度、所述傾斜度和所述測量扭矩值，調節所述測量扭矩值。
7. 如申請專利範圍第6項所述的工具，所述工具還包括迴旋頭。
8. 如申請專利範圍第6項所述的工具，所述陀螺儀設置在所述迴旋頭中。
9. 一種測量由工具施加到工件的扭矩量的方法，包括：通過扭矩感測器測量由所述工具施加到所述工件的測量扭矩量；通過控制器確定所述工具的傾斜度；以及通過所述控制器依據調節因數來調節所述測量扭矩量，其中，所述調節因數包括基於所述傾斜度的工具長度與反應距離的比率。
10. 如申請專利範圍第9項所述的測量由工具施加到工件的扭矩量的方法，還包括：基於當所述工具沒有傾斜時從反應點到驅動器的中心的第一距離，確定第一工具長度。
11. 如申請專利範圍第10項所述的測量由工具施加到工件的扭矩量的方法，還包括：基於當所述工具傾斜時從所述反應點到所述驅動器的中心的第二距離，確定第二工具長度。

Images