用于擰緊緊固件的動力工具與方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于擰緊緊固件的動力工具與方法，該動力工具包括用于測量緊固件的旋轉角度(α)的角度測量裝置(101)和用于測量在擰緊期間傳遞至緊固件的扭矩(T)的扭矩測量裝置(102)。處理器(103)布置為用于計算完成從所測量的旋轉角度至預定的目標角度的緊固件擰緊所需的擰緊能量(Et)，其中，基于測量的旋轉角度(α)、目標角度(αt)以及結合部的剛度(k)來計算擰緊能量。所述工具包括連接至動力工具的可旋轉部分的電機(104)，所述電機(104)用于驅動緊固件的擰緊。調節器(105)連接至電機以調節電機的旋轉速度(ω)，以在動力工具的可旋轉部分提供采用旋轉慣量形式的旋轉能量(Er)，從而滿足所需的擰緊能量(Et)。
【專利說明】
用于擰緊緊固件的動力工具與方法
技術領域
[0001]本發明大體涉及一種用于擰緊緊固件的動力工具，以及涉及一種擰緊緊固件的方法。
【背景技術】
[0002]例如在不同的裝配過程中，緊固件被用于形成結合部，其中可以利用動力工具來擰緊這些緊固件。通常，希望提高擰緊緊固件的速度和準確度。另一個重要方面在于改善動力工具操作期間的人體工程學性能。
[0003]以前，通常將緊固件擰緊至預定的扭矩，而不會考慮擰緊的過程中所使用的能量。為了提高擰緊準確度，在平緩后的最終擰緊步驟期間必須降低速度。因此，施加于操作者的反作用力會相對較高。
[0004]為了緩解這個問題，WO 2009/011633 Al公開了一種用于動力工具的調節器，其中將結合部的緊固件擰緊至預定的目標扭矩。該調節器布置為計算達到預定的目標扭矩所需的能量的大小。因此在擰緊期間可以利用較高速度，從而降低施加于工具的操作者的反作用力。
[0005]然而，在緊固件的擰緊期間，不同的結合部之間的摩擦可能存在變化，這會影響擰緊結合部所需的扭矩。因此，當基于目標扭矩來控制擰緊時，由于這些摩擦變化，會導致夾緊力的變化。
[0006]除此之外，當利用較高的旋轉速度來提供有利于滿足人體工程學性能的緊固件的擰緊所需的旋轉能量時，在結合部的旋轉部件與靜止部件之間的交界處會產生熱量。為此，交界處的摩擦系數會受到影響。因此，當控制扭矩以達到預定的目標扭矩時，結合于這種摩擦的變化，取決于結合部的幾何因素的最終角度也可能發生變化。從而，所產生的夾緊力(該夾緊力是結合部非常重要的品質因素)會基于這些因素而改變。
[0007]例如，可以通過降低擰緊期間的旋轉速度來減小交界處的摩擦變化，但是由于這降低了擰緊速度并且可能導致操作者承受更大的反作用力，因此是不利的。
【發明內容】
[0008]本發明的目標在于:提供一種快速且有利于滿足人體工程學性能的緊固件的擰緊，同時降低摩擦對夾緊力的作用并且維持夾緊力的較高準確度。
[0009]因此，本發明涉及一種用于擰緊緊固件的動力工具，該動力工具包括用于測量緊固件的旋轉角度(α)的角度測量裝置和用于測量在擰緊期間傳遞至緊固件的扭矩(T)的扭矩測量裝置。電機連接至動力工具的可旋轉部分，用于驅動緊固件的擰緊。所述工具進一步包括或者連接至用于計算完成從所測量的旋轉角度至預定的目標角度的緊固件擰緊所需的擰緊能量(Et)的裝置。基于測量的旋轉角度(α)、目標角度以及結合部的剛度(k)來計算所述擰緊能量。調節器連接至電機以調節電機的旋轉速度(ω )，從而在動力工具的可旋轉部分提供旋轉慣量形式的旋轉能量(Er)，來滿足所需的擰緊能量(Et)。
[0010]從而，能夠實現緊固件的快速且有利于滿足人體工程學性能的擰緊，同時降低摩擦對夾緊力的作用并且由此維持較高的準確度。在擰緊期間的較長時間段內，可以利用較高的擰緊速度，并且可以平緩地保持較高的擰緊速度。
[0011]結合部的剛度(k)可以限定為緊固件的每旋轉角度的扭矩變化率，k=AT/Δα。
[0012]所述調節器可以布置為在擰緊期間連續地或間歇地調節電機的速度(ω)。
[0013]從而，在擰緊期間，旋轉速度的調節可以動態地更新，以考慮例如線性性能方面的變化和偏差。
[0014]連接至電機以調節電機的旋轉速度(ω)的調節器可以是串聯調節器，例如，所述串聯調節器包括用于調節速度的速度調節器，所述速度調節器連接至電流調節器，所述電流調節器用于調節用于電機的驅動電流，以便控制旋轉速度。
[0015]完成緊固件的擰緊所需的擰緊能量(Et)可以估算為:
[0016]Et = k(at2-a2)/2，
[0017]其中，k為扭矩變化率(結合部的剛度)，at為目標角度，α為實際測量角度。
[0018]從而，利用線性逼近來計算所需的擰緊能量。
[0019]連接至電機的工具的旋轉部分中的旋轉能量(Er)可以描述為:
[0020]Er = Jco 2/2，
[0021]其中，ω為旋轉速度，J為動力工具中的旋轉部分的轉動慣量。
[0022]提供動力工具的可旋轉部分中采用旋轉慣量形式的旋轉能量(Er)以滿足所需的擰緊能量(Et)所需要的旋轉速度(ω )可以計算為:
[0023]ω =SQRT(k(at2-a2)/J)，
[0024]其中，ω為旋轉速度，平方根，k為扭矩變化率(結合部的剛度)，at為目標角度，α為實際測量角度，J為動力工具中的旋轉部分的轉動慣量。動力工具中的旋轉部分的轉動慣量可以針對具體的動力工具而測量或計算得出。
[0025]可以使旋轉速度保持在較高的水平，直至所需的擰緊能量小于動力工具的可旋轉部分中的采用旋轉慣量形式的旋轉能量(Er)。從而，可以實現快速且有利于滿足人體工程學性能的緊固件擰緊。
[0026]所述動力工具可以配置為在緊固件的預定的旋轉目標角度處中斷擰緊。
[0027]目標角度和測量的角度可以根據平緩角ao處的平緩來限定，即，限定零度角。
[0028]因此，可以由開始平緩的線性扭矩變化率來估計結合部的剛度，并且可以基于該扭矩變化率來進行擰緊能量的計算。
[0029]可以將平緩前的部分限定為處于低于平緩角的角度處，并且可以將平緩后的部分限定為處于大于平緩角的角度處。
[0030]也存在一些限定平緩角的替代方法。例如，平緩可以通過扭矩閾值來定義。作為替代，平緩可以通過扭矩-角度關系曲線中的拐點來限定。平緩角可以限定為這樣的線性投影角a1:其沿著扭矩-角度關系曲線而位于對應于扭矩-角度關系曲線中的零扭矩的平緩之上。或者，平緩角可以限定為這樣的角度a2:其穿過在平緩前后的扭矩-角度關系曲線的線性近似。
[0031]目標角度根據具體的緊固件和結合部的狀態來預先確定。
[0032]目標角度可以是緊固件的旋轉圈數的一圈或多圈，和/或是圈數的一部分。目標角度可以是從平緩(snug)開始的至少10度、30度、50度、70度、90度、120度，和/或小于150度、180度、210度、270度、360度、720或者更大。
[0033]本發明進一步涉及一種動力工具組件，該動力工具組件包括如本文所描述的動力工具、用于計算擰緊能量(Et)的裝置以及調節器。
[0034]本發明進一步涉及一種擰緊緊固件的方法，該方法包括以下步驟:
[0035]-測量緊固件的旋轉角度，
[0036]-測量傳遞至緊固件的扭矩，
[0037]-計算完成從所測量的旋轉角度至預定的目標角度的緊固件擰緊所需的擰緊能量(Et)，其中，所述擰緊能量基于測量的旋轉角度α和結合部的剛度(k)來計算，
[0038]-調節電機的旋轉速度(ω)，以在動力工具的可旋轉部分提供滿足所需的擰緊能量(Et)的采用旋轉慣量形式的旋轉能量(Er)，
[0039]-利用所提供的旋轉能量來擰緊緊固件。
[0040]所述方法步驟可以在擰緊期間連續地或間歇地重復。
[0041]從而，可以實現快速且有利于滿足人體工程學性能的緊固件擰緊，同時摩擦對降低夾緊力的作用并且維持較高的準確度。
[0042]根據附圖以及根據所示實施方案的詳細描述，本發明的其他特征和優點將變得明顯。
【附圖說明】
[0043]在下列詳細的說明中，參考附圖來進行描述，其中:
[0044]圖1示出了動力工具的示例。
[0045]圖2示出了扭矩-角度和旋轉-角度的示意圖。
[0046]圖3示出了擰緊緊固件的方法的示例。
【具體實施方式】
[0047]圖1示出了用于擰緊緊固件的動力工具100。在所示出的實施方案中，動力工具為角度張緊器，然而本發明還涉及手槍式張緊器或筆直張緊器。該工具包括由操作者或者由固定裝置來支持的體部106。連接至體部的工具頭107配置為接收緊固件，以便通過工具擰緊。電機103連接至動力工具的可旋轉部分，用于驅動工具頭并從而擰緊緊固件。所述可旋轉部分可以包括電機本身的可旋轉部分、軸、齒輪等等(即，擰緊期間在動力工具中旋轉的組合的大量裝置)。這些可旋轉部分具有組合的旋轉慣量J，該組合的旋轉慣量J可以針對具體的工具而計算或測量得出。
[0048]所述工具包括角度測量裝置101，用于測量緊固件的旋轉角度α。所述角度測量裝置可以是角度編碼器。
[0049]此外，扭矩測量裝置102(例如扭矩傳感器)布置為用于測量在擰緊期間傳遞至緊固件的扭矩Τ。在所示出的實施方案中，扭矩測量裝置布置在動力工具的電機103與工具頭107之間。但是，該扭矩測量裝置可以布置在沿著驅動線路的任何地方，并且還可以布置為對工具中的反作用扭矩進行測量。
[0050]所述工具包括處理單元104。作為替代，該處理裝置包括于配置為驅動工具的單獨的驅動器，所述驅動器連接至動力工具。該驅動器可以通過電線而電連接至工具，或者無線連接至工具。處理單元連接至角度測量裝置101和扭矩測量裝置102，以接收旋轉角度和扭矩的測量。處理單元104配置為計算完成從所測量的旋轉角度至預定的目標角度的緊固件擰緊所需的擰緊能量Et。擰緊能量Et計算如下
[0051]Et = k(at2-a2)/2
[0052]其中，k為每角度的扭矩變化率(結合部的剛度，k=AT/Δα)，at為目標角度，α為實際測量角度。因此，基于測量的旋轉角度a、目標角度以及結合部的剛度k來計算擰緊能量。
[0053]處理單元104進一步配置為計算電機的旋轉速度ω，以提供動力工具中的旋轉能量Er的量(在工具的可旋轉部分中采用旋轉慣量形式)，從而滿足所需的擰緊能量Et。連接至電機的工具的可旋轉部分中的旋轉能量Er計算如下:
[0054]Er = Jco 2/2
[0055]其中，ω為旋轉速度，J為動力工具中的旋轉部分的轉動慣量。
[0056]通過令擰緊能量Et與旋轉能量Er相等，從而所需的旋轉速度ω可以計算如下:
[0057]ω =SQRT(k(at2-a2)/J)。
[0058]如果滿足擰緊能量Et所需的旋轉速度大于工具的最大旋轉速度，則可以將電機的旋轉速度ω限定為最大旋轉速度《m。
[0059]動力工具進一步包括用以調節電機103的旋轉速度的調節器105。該調節器布置為將速度調節至由最大旋轉速度ωm限定的計算旋轉速度ω。可選地，調節器包括于連接至工具并且配置為控制工具的驅動器。從而，可以將扭矩和旋轉角度的測量傳送至驅動器(其中，旋轉速度ω按照本文所公開的方法計算得出)，并且將用于調節電機的控制信號傳送回動力工具中的電機。
[0060]動力工具的工作如圖2中所示，圖2示出了擰緊期間的扭矩-角度的示意圖，并且包括旋轉速度ω。
[0061]最初，在較低的旋轉角度下，由扭矩測量裝置測得的扭矩T較小，小于閾值To。這是衰弱(run-down)階段，在這個階段緊固件的實際擰緊還未開始。在衰弱階段的最后，扭矩開始增大，這可以視為扭矩-角度關系的拐點。這被定義為平緩角aQ(該平緩角aQ限定計算中的零度角)處的“平緩”。平緩角可以通過扭矩的閾值水平To來檢測。作為替代，平緩可以通過檢測扭矩-角度關系中的拐點(即，通過監控扭矩-角度關系的梯度)來限定。
[0062]在平緩水平之上，扭矩隨著緊固件旋轉而增大，由扭矩變化率k=AT/Δα來表示。k可以在擰緊期間計算得出，或者在特定的條件下針對特定的緊固件可以是已知的。在該階段，如上所述，通過令擰緊能量Et與旋轉能量Er相等而計算得出旋轉速度。最初(如圖2中所示)旋轉速度可能受最大旋轉速度ωm限制，然而，隨著擰緊繼續進行，在角度(^處，工具中的旋轉能量估計為可以完成達到目標角度at的擰緊。其后，旋轉速度由于用來擰緊緊固件的旋轉能量而連續地降低。計算隨著抒緊繼續進行而頻繁地更新(例如，以4kHz的頻率更新)，從而根據擰緊系統中的非線性影響而動態地調節旋轉速度。
[0063]隨著緊固件朝向目標角度at旋轉，旋轉速度連續地降低，理想情況下達到目標角度at處的零值。此后擰緊停止。因此，可以使擰緊期間的旋轉速度保持在最大水平，直至工具中的旋轉能量足夠完成達到目標角度Clt的擰緊。因此，擰緊較快速并且動力工具上的反作用力的影響得以降低，提高了工具的人體工程學性能。通過降低摩擦對擰緊結果的影響，擰緊的質量得以進一步提高。因此，提高了夾緊力的準確度。
[0064]參考圖3來進一步描述動力工具的工作，圖3示出了擰緊緊固件的方法300的方法步驟。該方法包括測量緊固件的旋轉角度的步驟301，以及測量傳遞至緊固件的扭矩的步驟302。在步驟303計算完成從所測量的旋轉角度至預定的目標角度的緊固件擰緊所需的擰緊能量Et。如上所述，基于測量的旋轉角度α和結合部的剛度k而計算得出擰緊能量。在步驟304，調節電機的旋轉速度ω，以提供在動力工具的可旋轉部分采用旋轉慣量形式的旋轉能量Er，從而滿足所需的擰緊能量Et。在步驟305，利用所提供的旋轉能量來完成緊固件的擰緊。該過程在緊固件的擰緊過程中連續地重復。在步驟306，在緊固件的預定旋轉目標角度處中斷擰緊。
【主權項】
1.一種用于擰緊緊固件的動力工具(100)，包括: 角度測量裝置(101)，其用于測量緊固件的旋轉角度(α)， 扭矩測量裝置(102)，其用于測量在擰緊期間傳遞至緊固件的扭矩(T)，以及電機(104)，其連接至動力工具的可旋轉部分，用于驅動緊固件的擰緊， 其中，所述動力工具包括或者連接至: 處理器(103)，其用于計算完成從所測量的旋轉角度(α)至預定的目標角度(at)的緊固件擰緊所需的擰緊能量(Et)，其中，基于測量的旋轉角度(α)、目標角度(at)以及結合部的剛度(k)來計算所述擰緊能量， 調節器(105)，其連接至電機以調節電機的旋轉速度(ω )，從而在動力工具的可旋轉部分中提供采用旋轉慣量形式的旋轉能量(Er)，以滿足所需的擰緊能量(Et)。2.根據權利要求1所述的動力工具，其中，根據測量的扭矩(T)和旋轉角度(α)來計算結合部的剛度(k)，作為緊固件的每旋轉角度的扭矩變化率，k= AT/Δα。3.根據權利要求1或2所述的動力工具，其中，在擰緊期間，所述調節器連續地或間歇地調節電機的速度(ω )。4.根據前述權利要求的任一項所述的動力工具，其中，在動力工具的可旋轉部分提供的滿足所需的擰緊能量(Et)的采用旋轉慣量(J)形式的旋轉能量(Er)所需要的旋轉速度(ω )計算為: ω =SQRT(k(at2-a2)/J)。5.根據前述權利要求的任一項所述的動力工具，其中，使旋轉速度保持在較高的水平，直至所需的擰緊能量小于動力工具的可旋轉部分中采用旋轉慣量形式的旋轉能量(Er)。6.根據前述權利要求的任一項所述的動力工具，其中，所述動力工具配置為在緊固件的預定旋轉目標角度(at)處中斷擰緊。7.根據前述權利要求的任一項所述的動力工具，其中，目標角度(at)根據平緩角(ao)處的平緩來限定。8.—種擰緊緊固件的方法(300)，包括以下步驟: -測量(301)緊固件的旋轉角度(a)， -測量(302)傳遞至緊固件的扭矩(T)， -計算(303)完成從所測量的旋轉角度(α)至預定的目標角度(at)的緊固件擰緊所需的擰緊能量(Et)，其中，基于測量的旋轉角度(α)和結合部的剛度(k)來計算所述擰緊能量， -調節(304)電機的旋轉速度(ω)，以在動力工具的可旋轉部分提供采用旋轉慣量(J)形式的旋轉能量(Er)，從而滿足所需的擰緊能量(Et)， -利用所提供的旋轉能量來擰緊(305)緊固件。9.根據權利要求8所述的方法，其中，結合部的剛度(k)為緊固件的每旋轉角度的扭矩變化率，k= AT/Δα。10.根據權利要求8-9的任一項所述的方法，其中，在擰緊期間，連續地或間歇地調節旋轉速度。11.根據權利要求8-10的任一項所述的方法，其中，在動力工具的可旋轉部分提供滿足所需的擰緊能量(Et)的采用旋轉慣量(J)形式的旋轉能量(Er)所需要的旋轉速度(ω )計算為: ω =SQRT(k(at2-a2)/J)。12.根據權利要求8-11的任一項所述的方法，其中，將旋轉速度保持在較高的水平，直至所需的擰緊能量小于在動力工具的可旋轉部分中的采用旋轉慣量(J)形式的旋轉能量(Er)013.根據權利要求8-12的任一項所述的方法，進一步包括:在緊固件的預定旋轉目標角度(at)處中斷(306)擰緊。14.根據權利要求8-13的任一項所述的方法，其中，目標角度根據平緩角(ao)處的平緩來限定。15.根據權利要求8-14的任一項所述的方法，其中，完成擰緊所需的擰緊能量(Et)基于平緩之后的結合部的剛度(k)來計算。
【文檔編號】B23P19/06GK105899332SQ201480068590
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月19日
【發明人】E·G·貝克, E·V·佩爾松, K·F·沃德曼
【申請人】阿特拉斯·科普柯工業技術公司