CN111136606B

CN111136606B - 倾斜补偿扭矩-角度扳手

Info

Publication number: CN111136606B
Application number: CN201911008420.3A
Authority: CN
Inventors: 杰里·A·金; 内森·J·李
Original assignee: Snap On Inc
Current assignee: Snap On Inc
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: TWI752365B; GB201912268D0; AU2019213408A1; GB202017414D0; AU2019213408B2; CA3139225C; CA3139225A1; GB2578667A; CN111136606A; US20200139524A1; CA3052754C; GB2587548A; US10836020B2; TW202017710A; CA3052754A1; GB2578667B; GB2587548B

Abstract

一种确定由工具施加到工件的实际扭矩量和/或角度量的方法。在实施例中，该方法包括确定旋转角度、工具的倾斜度、工具的测量扭矩。然后，基于旋转角度、倾斜度和测量扭矩来确定施加到工件的实际扭矩量或角度量。

Description

倾斜补偿扭矩-角度扳手

技术领域

本发明大体涉及手持工具，例如扭矩扳手。更具体地，本发明涉及用于转动角度和扭矩测量精确度的弯曲角度补偿。

背景技术

手持工具(例如扭矩扳手)用于接近紧固件并对紧固件施加扭矩。一些扭矩扳手包括回旋头(flex head)，该回旋头允许扳手本体枢转并且清除将会妨碍扭矩扳手的使用的部件。然而，扭矩扳手的头部的弯曲会导致扭矩测量和角度测量方面的误差。这是因为，当头部弯曲时，扳手本体和传感器在与紧固件不同的平面中转动。

发明内容

本发明大体包括确定由工具提供的实际的紧固件扭矩和角度的方法。在一种实施例中，该方法包括确定旋转角度、工具的倾斜度和工具的测量扭矩。然后，基于旋转角度、倾斜度和测量扭矩来确定实际的紧固件扭矩或角度。

在实施例中，本发明大体包括具有一个或多个传感器的工具的操作方法。至少一个传感器同时测量在偏航轴和滚转轴二者上的旋转的角速率。该方法包括例如通过工具的处理器/控制器，使用旋转的角速率来确定工具的旋转角度和倾斜度。另外的传感器测量工具的扭矩，该方法还包括基于旋转角度、倾斜度和测量扭矩来确定实际的紧固件扭矩。

在实施例中，本发明大体包括确定工具的调节扭矩或实际扭矩的方法。该方法包括确定工具的测量扭矩。该方法还包括确定工具的倾斜度。该方法还包括通过调节因子来调节测量扭矩。该调节因子包括：基于确定的倾斜度的工具长度与反应距离的比率。

附图说明

为了便于理解所要保护的主题，在附图中示出了其的实施例。通过审阅附图，当结合以下描述考虑时，所要保护的主题的结构、操作和很多优点应该是容易理解和意识到的。

图1是工具(例如扭矩扳手)处于未弯曲位置时的侧视图。

图2是图1的工具处于弯曲位置时的侧视图。

图3是概念性地示出图1的扭矩扳手的电子部件的方框图。

图4是用于工具(例如扭矩扳手)的旋转的偏航轴、滚转轴和俯仰轴的图。

图5是示出了倾斜角度、测量的滚转轴速率、测量的偏航轴速率、和补偿的倾斜速率之间的关系的图。

具体实施方式

尽管本发明可以有许多不同形式的实施例，但是以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细地描述，可以理解的是，以下公开的内容仅作为本发明原理的示例，并非旨在将本发明的广泛方面限制于所示出的实施例。如本文中所用的，术语“本发明”并不旨在限制要求保护的发明范围，而是仅出于解释目的用于讨论本发明的示例性实施例的术语。

本发明涉及一种确定由扳手提供的紧固件扭矩和/或角度的方法。在实施例中，该方法大体包括：确定旋转角度、倾斜度，以及测量由扳手施加的扭矩。然而，由于扳手头部的弯曲，测量扭矩可能是不准确的。在这种情况下，基于旋转角度、倾斜度和测量扭矩，确定调节的紧固件扭矩或者实际施加的紧固件扭矩。

参考图1和图2，示出了扳手100，即扭矩扳手，其适于通过联接到驱动器102的接合器或套筒对工件施加扭矩，驱动器102例如是双向棘轮方形驱动器或者是双向棘轮六角形驱动器。通常，驱动器102是“公”矩形突出部，设计成与母对应部(如图示)匹配地接合，不过，驱动器可以具有适于与母对应部匹配地接合的任意横截面形状。或者，驱动器可以包括“母”连接器，该“母”连接器设计成匹配地接收公对应部。驱动器还可以构造成与工件直接接合而不用联接到接合器或者套筒。

如将在下文中进一步详细描述的，在实施例中，扳手100确定由扳手提供的调节的或者实际施加的紧固件扭矩。例如，该方法包括：确定扳手的旋转角度和扳手的倾斜度，确定由扳手100施加到工件的测量扭矩量。调节的或者实际施加的紧固件扭矩的确定需考虑旋转角度、倾斜度和测量到的由扳手100施加到工件的扭矩量。测量到的由扳手100施加的扭矩量、角度、倾斜度数据可以由扳手100和/或与扳手100通信的外部装置以时间索引来记录和存储。

扭矩扳手100大体包括轴104，轴104连接到容纳有驱动器102的头部106。当棘轮转动和扭转时，头部106围绕驱动器102的中心轴线旋转。轴104包括手柄108、控制单元110和颈部112。在实施例中，颈部112在轴104的与手柄108相对的一端联接到头部106，其是回旋头。回旋头能够相对于手柄108弯曲或者倾斜，以允许更容易地与位于难以用常规的扭矩施加工具接近的区域中的工件接合。如图示，公驱动器102相对于头部106围绕驱动器102的中心轴线旋转所在的平面而从头部106垂直地延伸。施加到手柄108的力使扳手100围绕驱动器102的中心轴线旋转地枢转，从而将扭矩传递给与驱动器102接合的工件(未图示)。

手柄108可以包括有纹理的握把，以在扭转操作期间改善用户对扳手100的抓握。控制单元110可以包括用户界面114，例如是包括显示屏118和至少一个按钮116的触觉用户界面。显示屏118可以可选地是触敏的，由控制单元110的处理器或者控制器执行的软件或者固件提供虚拟的(virtual)屏幕上控制。

可以通过用户界面114将指令和其他信息直接输入到扳手100中。在扭转操作期间，显示屏118可以显示信息，例如扭矩、倾斜度和/或角度信息。头部106可以包括换向杆120，换向杆120用于改变棘轮机构的驱动方向(也称为扭矩施加方向)。如将在下文中进一步详细描述的，头部160还容纳有一个或多个传感器，其用于测量通过驱动器102施加到工件的扭矩量、头部106和轴104的围绕驱动器102的中心轴线的旋转角度。头部106还包括方向传感器(例如，加速度计)，以确定轴线相对于“向下”(即，相对于重力)的角度。方向传感器还可以用于确定扳手100是否移动，以自动地将扳手100从低功率睡眠模式唤醒和/或检测扳手100是否已经掉落以及可能需要重新校准。

图3是概念性地示出了图1的扳手100的电子部件的示例的方框图。扳手100可包括：一个或多个控制器/处理器122、记忆体124，非易失性存储器126，和无线通信收发器128。每个控制器/处理器122可以包括计算机可读指令和用于处理数据的中央处理单元(CPU)。处理器/控制器122通过总线130从数据存储器124检索指令，使用记忆体124用于指令和数据的运行时临时存储。记忆体124可以包括易失性和非易失性随机访问存储器(RAM)。虽然在图3中示出的部件通过总线130连接，但是部件还可以以除了通过总线130连接到其它的部件之外的方式连接到其它的部件，或者，部件还可以以取代通过总线130连接到其它部件的方式连接到其它的部件。

数据存储器126可以包括一种或多种类型的非易失性固态存储器，例如闪存、只读存储器(ROM)、磁阻RAM(MRAM)、相变存储器等等。扳手100还可以包括输入/输出接口，输入/输出接口连接到可移除的或外部的非易失性记忆体和/或存储器(例如，可移除存储卡、存储器密钥驱动器、网络存储器等等)。这种输入/输出接口可以是有线的或者是嵌入式接口(未图示)和/或可以包括无线通信收发器128。

用于操作扳手100及其各种部件的计算机指令可以由控制器/处理器122执行，使用记忆体124作为运行时的临时“工作”存储器。计算机指令可以以非暂时性方式存储在非易失性记忆体124、存储器126或者外部设备中。可选地，一些或者全部的可执行指令可以嵌入在硬件中或者固件中(作为软件的附加或替代)。

扳手100可以包括多个输入和输出接口。这些接口包括与处理器/控制器122通信的收发器128、一个或多个按钮116a/116b、一个或多个发光二极管(LED)132、扬声器或者音频换能器134、触觉振动器136、一个或多个扭矩传感器138、一个或多个角度传感器140、以及方向传感器142。扭矩传感器138例如可以包括扭矩转换器(transducer)、应变仪、磁弹性扭矩传感器和表面声波(surface acoustic wave，SAW)传感器中的一个或多个。角度传感器140例如可以包括旋转角度传感器或者陀螺仪(例如，3D MEMS陀螺仪)。方向传感器142例如可以包括加速计，并感测运动。

根据所使用的扭矩传感器138的类型，模数(A/D)转换器144可以接收来自扭矩传感器138的模拟信号，将数字信号输出给处理器/控制器122。同样地，A/D转换器146可以接收来自角度传感器140的模拟信号，A/D转换器148可以接收来自方向传感器142的模拟信号，将数字信号输出给处理器/控制器122。A/D转换器可以是离散的、与处理器/控制器122集成在一起/集成在处理器/控制器122中，或者，与它们对应的传感器集成在一起/集成在它们对应的传感器中。

A/D转换器的数量和需求取决于每个传感器所使用的技术。可以提供多个A/D转换器以根据需要适应尽可能多的信号，例如，在角度传感器140为多个陀螺仪轴提供模拟输出。信号调节电子设备(未图示)也可以作为独立电路被包括，其与处理器/控制器122集成在一起/在处理器/控制器122中，或者，与对应的传感器集成在一起/在对应的传感器中，以将由传感器的部件生成的非线性输出转换成线性信号。

由处理器/控制器122执行的指令接收从传感器输出的数据，例如扭矩、倾斜度、角度值和测量值。根据该数据，处理器/控制器122可以确定各种信息，例如，由扳手100施加的调节的或者实际的扭矩、已经施加到工件或者应该施加到工件的扭矩的持续时间等。

传感器数据和信息可以实时记录或者以预定的采样率记录，并且存储在记忆体124和/存储器126中。传感器数据和信息还可以通过收发器128传输到外部设备以用于进一步的分析和检查。

“数据”包括数值，数值被处理以使它们成为有意义的或有用的“信息”。然而，如本文中所使用的，术语数据和信息应该被解释为可互换的，数据包括信息，信息也包括数据。例如，在数据被存储、发送、接收或输出的情况下，其可以包括数据、信息或者它们的组合。

扳手100还包括电源150，电源150为处理器/控制器122、总线130和其他的电子部件供电。例如，电源150可以是布置在手柄108中的一个或多个电池。然而，电源150并不限于电池，还可以使用其他的技术(例如燃料电池)。扳手100还可以包括：用于对电源150再充电的部件(例如，有机电池或聚合物光伏电池)，和/或用于接收外部电荷的接口(例如，通用串行总线(USB)端口，或者感应传感器(Inductive Pick-up))，以及相关联的充电控制电子设备。

显示器118可以由处理器/控制器122执行的软件/固件使用，以显示供用户/技术人员查看和理解的信息。这些信息可以被格式化为文本、图形或者它们的组合。当信息(例如，通过与显示器118本身集成在一起的按钮116和/或触敏界面)进入扳手100时，显示器118还可以用于提供反馈。显示器118可以是液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、电子纸显示器或者具有合适的功耗要求和具有便于集成到控制单元110中的体积的任何种类的黑白或者彩色显示器。

参考图1至图4，如上所述，当头部106相对于轴104倾斜一定角度时，扭矩扳手100采用3D MEMS陀螺仪来测量角度和倾斜信息。例如，测量旋转角度，以及旋转角度可以由处理器/控制器122或者3D MEMS陀螺仪通过对偏航轴(例如，Z轴)和滚转轴(例如，X轴)的旋转的角速率(例如，角速度)作时间积分来确定。当扳手100旋转时，偏航轴测量扳手100的旋转，滚转轴测量倾斜度。

在偏航轴上的旋转角度(例如，以度为单位)可以表示为：

其中：

Ω_Z＝在Z轴上的角速度，单位为度/秒

Ω₀＝静止时的角速度读数，单位为度/秒

ACF＝角度校准系数

＝在Z轴上的旋转角度，单位为度

ACF例如通过处理器/控制器122以以下方式确定：基于当扳手100仅在偏航平面上通过固定的180度旋转时角度传感器140的输出，减去在零旋转处的输出，并确定测量角度和实际角度之间的差异。

参考图5，示出了偏航轴速率(Z)、滚转轴速率、补偿倾斜速率(Z’)和倾斜角度

之间的关系。例如，如果扳手100由于头部106的倾斜(X)而偏离偏航平面，则速率(Z)小于实际速率(Z’)，其与倾斜角度

成比例。基于角度传感器140在偏航轴和滚转轴中的输出速率，倾斜角度例如通过处理器/控制器122确定。

利用Z、X、Z’和

之间的关系，导出下列方程式：

Z＝Z′*cosθ (方程式2)

X＝Z′*sinθ (方程式3)

将方程式10代入方程式4

其中：

Z’＝倾斜补偿角度；

Z＝积分的Z轴速率；

X＝积分的X轴速率。

参考回图1-3，在操作中，扳手100对工件(例如紧固件)施加扭矩。通常，当扳手100被校准时，它具有限定的校准长度。校准长度(A)是当头部106相对于扳手100的轴104没有倾斜或者枢转时，从反应点152到驱动器102的中心154的距离。扳手100的头部106的倾斜将导致从反应点152到驱动器102的中心154的长度(A)发生改变(示出为第二长度或倾斜长度A’)。例如，扳手100可以倾斜一定角度

当扳手100的头部106倾斜时，从反应点152到驱动器102的中心154的距离减小(示出为A’)。这导致测量到的由扳手100施加的扭矩量不同于(特别地大于)由扳手100施加到工件的实际扭矩量(例如，实际施加的扭矩)。因此，为了正确地确定和显示施加到工件的实际扭矩量，扳手100(例如使用处理器/控制器112)调节传感器的输出，以及调节来自于一个或多个传感器的输出，如下所述：

其中：

紧固件扭矩＝施加到紧固件的实际扭矩

扳手扭矩＝由扳手测量的扭矩

A＝在扳手中存储的扳手长度尺寸(反应点到紧固件的中心)

A′＝实际反应距离

应用方程式：

将方程式17代入方程式15

回旋头的使用引入了扭矩和转动/旋转角度测量的误差。例如，在15度弯曲角度(即，头部106相对于轴104倾斜约15度)时，这些误差可能是读数的3-4％。该扳手100的优点在于它使用陀螺仪的输出来确定弯曲角度。当扳手100没有弯曲但扳手100转动时，仅陀螺仪的偏航轴将产生读数。该偏航轴读数被校准为与紧固件的旋转角度相等，这对于很多紧固件而言是重要的紧固因子。当扳手100的轴104相对于头部106或者紧固件转动平面倾斜/弯曲时，偏航轴的陀螺仪读数减小，陀螺仪的滚转轴检测到运动。这两个轴的组合产生用于弯曲角度的确定。该角度确定应用于扭矩和角度的方程式/公式，例如使用上述的处理器/控制器122以基于一个或多个传感器的输出来产生补偿值，从而补偿这些固有的不精确性。

另外的优点是不需要事先知道弯曲角度，因为它是在扳手100处于操作中时由陀螺仪测量的。例如，所描述的发明使用陀螺仪的所有三个轴来测量扭矩施加操作期间的实际的扳手弯曲角度。这比使用传统的重力传感器或者加速度计更有益，其限于与水平面的偏离而不能直接确定扳手的弯曲角度。扳手100(通过一个或多个传感器和/或通过处理器/控制器122)通过同时集成来自于数字陀螺仪的三个轴中的两个轴的读数来确定实际弯曲角度。该结果获得了实际弯曲角度。该实际弯曲角度可以用于补偿在工件的扭转期间发生的旋转角度的不准确性。这些旋转角度的不准确性的存在是由于扳手100的轴104在与头部106或者紧固件不同的平面中的转动。

此外，扳手100(通过一个或多个传感器和/或通过处理器/控制器122)补偿由于回旋头的使用而导致的扭矩不准确。当头部106相对于轴104弯曲时，扳手100的有效长度随着投射到紧固件转动平面上而变短。因此，用于补偿旋转角度的相同步骤，以及用于扳手100的有效长度的代数方程式，也可以应用于补偿扭矩读数的不准确性。作为结果，当扳手100旋转而处于弯曲位置时，在具有回旋头部106的扳手100上的补偿扭矩和旋转角度读数包括：确定旋转扭矩扳手100的倾斜角度，补偿在旋转期间在多个轴上的角度测量误差，以及补偿在旋转期间在多个轴上的扭矩测量倾斜误差。

根据本发明的实施例，计算由扳手100提供的施加到工件的扭矩量(也称为调节的或者实际施加的扭矩)可以包括：确定扳手100的旋转角度(例如，基于测量到的偏航轴(Z)速率和滚转轴(X)速率)，确定扳手100的倾斜度

测量扳手100的扭矩(例如，扳手扭矩，或者来自于扭矩传感器的测量扭矩量)。可以基于旋转角度、倾斜度和测量扭矩量，来确定施加到工件的扭矩量。角度传感器140(例如，数字陀螺仪)可以同时测量在偏航轴和滚转轴二者上的旋转的角速率。可以通过将测量的旋转的角速率进行时间积分来确定旋转角度。可以使用测量的旋转的角速率来确定倾斜度。应当理解，本文中描述的确定可以部分地或者全部地由处理器/控制器122执行。

在操作期间，扳手100(例如，工具)可以包括：使紧固件与头部106/驱动器102接合，对紧固件施加扭矩操作。传感器(例如，角度传感器140)同时测量在偏航轴和滚转轴二者上的旋转的角速率。扳手100的旋转角度例如由处理器/控制器122使用从(一个或多个)传感器输出的旋转的角速率来确定。扳手100的倾斜度例如由处理器/控制器122使用从(一个或多个)传感器输出的旋转的角速率来确定。扭矩传感器138还测量扳手100的扭矩。实际的紧固件扭矩例如由处理器/控制器122基于旋转角度、倾斜度和由(一个或多个)传感器输出的扭矩信息来确定。

由扳手100施加的实际的或者调节的扭矩例如可以由处理器/控制器122基于来自于扭矩传感器138的测量扭矩、扳手100的倾斜度来确定。测量扭矩通过调节因子来调节。调节因子可以是基于确定的倾斜度的扳手长度(例如，第一距离或者长度A)与反应距离(例如，第二距离或长度A’)的比率。例如，反应距离(例如，A’)是当扳手100倾斜时，从反应点152到驱动器102的中心154的距离。

如本文中所使用的，术语“联接”及其功能等同特征并不意味着必须限制于两个或者更多部件的直接的机械联接。相反，术语“联接”及其功能等同特征旨在表示两个或者更多物体、特征、工件和/或环境物质之间的任何直接的或者间接的机械联接、电气联接或者化学联接。“联接”在某些实施例中也旨在表示一个物体与另一个物体集成为一体。

在前面的描述中和附图中所阐述的内容仅作为示例提出而不是作为限制。虽然已经示出和描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离发明者贡献的更广泛方面的情况下，可以进行改变和变形。当基于现有技术以它们合适的角度考虑时，所寻求的实际保护范围旨在由下面的权利要求所限定。

Claims

1.一种确定由具有头部的工具施加到工件的扭矩量的方法，包括：

测量所述头部的旋转角度量；

测量所述头部的倾斜度；

测量由所述头部施加到所述工件的扭矩量，从而产生测量扭矩值；以及

基于所述旋转角度量、所述倾斜度和所述测量扭矩值，调节所述测量扭矩值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量所述旋转角度量的步骤包括：使用陀螺仪测量所述旋转角度量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量所述旋转角度量的步骤包括：使用陀螺仪测量在偏航轴和滚转轴二者上的旋转的角速率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测量所述旋转角度量的步骤包括：在一段时间内对所述旋转的角速率进行积分。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测量所述工具的倾斜度的步骤基于所述旋转的角速率。

6.一种适于对工件施加扭矩的工具，包括：

陀螺仪，适于测量在偏航轴和滚转轴二者上的旋转的角速率；

扭矩传感器，适于测量由所述工具施加到所述工件的扭矩量，从而产生测量扭矩值；以及

控制器，与所述陀螺仪和所述扭矩传感器通信，其中所述控制器适于：

从所述陀螺仪接收所述旋转的角速率；

基于所述旋转的角速率来确定所述工具的旋转角度；

基于所述旋转的角速率来确定所述工具的头部的倾斜度；

从所述扭矩传感器接收所述测量扭矩值；以及

基于所述旋转角度、所述倾斜度和所述测量扭矩值，调节所述测量扭矩值。

7.根据权利要求6所述的工具，其特征在于，所述工具还包括回旋头。

8.根据权利要求7所述的工具，其特征在于，所述陀螺仪设置在所述回旋头中。

9.一种测量由工具施加到工件的扭矩量的方法，包括：

通过扭矩传感器测量由所述工具施加到所述工件的测量扭矩量；

通过控制器确定所述工具的倾斜度；以及

通过所述控制器依据调节因子来调节所述测量扭矩量，其中，所述调节因子包括基于所述倾斜度的工具长度与反应距离的比率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：基于当所述工具没有倾斜时从反应点到驱动器的中心的第一距离，确定第一工具长度。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：基于当所述工具倾斜时从所述反应点到所述驱动器的中心的第二距离，确定第二工具长度。