动力紧固工具.pdf

用于紧固诸如螺钉或紧固件之类的紧固件的动力紧固工具，其可防止在紧固件被完全紧固之前就停止电动机的驱动的误操作。当估算的扭矩T的值大于使用者预先设定的预定下限值T1，并且扭矩变化率ΔΔT的值由正变为负时，紧固判断器判断紧固操作完成。因此，即使在估算的扭矩T的值大于下限值T1之前，由故障引起的扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时，仍可防止停止电动机的驱动的误操作。

1.  一种动力紧固工具，包括：一电动机；一电动机控制器，用于控制该电动机的驱动的启动与停止；一动力传递器，用于将该电动机的驱动力传递到用于紧固或松开紧固件的一输出轴上；一扭矩估算器，用于估算紧固该紧固件的扭矩的值；以及一紧固判断器，用于判断该紧固件是否被完全紧固；其中，
该紧固判断器进行如下操作：
计算扭矩变化量和扭矩变化率，其中，该扭矩变化量是该估算的扭矩的变化相对于该电动机的轴的旋转角或经过的时间的比率，该扭矩变化率是该扭矩变化量相对于该电动机的轴的旋转角或经过的时间的比率；以及
当满足至少一个以下的条件时，判断该紧固操作已完成：该估算的扭矩的值大于预定的扭矩的下限值，和该扭矩变化率的值由正变为负。

2.  如权利要求1所述的动力紧固工具，还包括一扭矩设定器，使用者能够通过该扭矩设定器可选择地设定该下限值。

3.  如权利要求1所述的动力紧固工具，其中，
进一步设定扭矩的上限值；以及
当该紧固判断器判定用于紧固该紧固件的扭矩的值大于该上限值时，该电动机控制器停止该电动机的驱动。

4.  如权利要求3所述的动力紧固工具，其中，还包括一扭矩设定器，使用者能够通过该扭矩设定器可选择地设定该下限值或该上限值。

5.  如权利要求4所述的动力紧固工具，其中，
该下限值或该上限值被计算为彼此具有一预定的比率，其被设定在该扭矩设定器中。

6.  如权利要求5所述的动力紧固工具，其中，
该预定比率是该下限值与该上限值的比率，并且为与该上限值的级别无关的常数。

7.  如权利要求5所述的动力紧固工具，其中，
该预定比率是该下限值与该上限值的比率，并且以该上限值的级别越大，该下限值与该上限值的比率就越小的方式计算。

8.  如权利要求4所述的动力紧固工具，其中，
该上限值能够在对应于多个级别的多个值之间选择；以及
该下限值被设定为一个级别的值，该级别比该上限值的级别低一个级别。

9.  如权利要求2所述的动力紧固工具，其中，
该扭矩设定器具有一作业选择开关，用于选择紧固作业的种类，该下限值能够对应于紧固作业的种类而设定。

10.  如权利要求4所述的动力紧固工具，其中，该扭矩设定器具有一作业选择开关，用于选择紧固作业的种类，该下限值和/或该上限值能够对应于紧固作业的种类而设定。

11.  如权利要求4所述的动力紧固工具，其中，
该扭矩设定器具有控制模式选择开关，用于在正常控制模式与上限控制模式之间选择控制模式；
当选择为该正常控制模式时，该紧固判断器相应于该估算的扭矩值与该扭矩下限值的比较结果，以及该扭矩变化率的值是否由正变为负的判断结果，判断是否完成了该紧固操作；以及
当选择为该上限控制模式时，该紧固判断器仅判断用于紧固该紧固件的值是否大于该上限值。

12.  如权利要求11所述的动力紧固工具，其中，
该扭矩设定器相应于该下限值，在正常控制模式与上限控制模式之间选择控制模式；
当该下限值大于一预定值时，该紧固判断器执行该正常控制模式，以相应于该估算的扭矩值与该扭矩下限值的比较结果，以及该扭矩变化率的值是否由正变为负的判断结果，判断该紧固操作是否完成；以及
当该下限值等于或小于该预定值时，该紧固判断器执行该上限控制模式，仅判断紧固该紧固件的扭矩值是否大于该上限值。

13.  如权利要求2所述的动力紧固工具，其中，
该扭矩设定器具有：一尺寸选择器，用于在多个预先设定的尺寸之间，选择该紧固件的尺寸；和一种类选择器，用于在多个预先选定的种类之间，选择将要被该紧固件紧固的部件的种类；并且该下限值在多个值之间选择，该多个值对应于该紧固件的尺寸与该待紧固部件的种类的组合。

14.  如权利要求4所述的动力紧固工具，其中，
该扭矩设定器具有：一尺寸选择器，用于在多个预先设定的尺寸之间，选择该紧固件的尺寸；和种类选择器，用于在多个预先选定的种类之间，选择将要被该紧固件紧固的部件的种类；以及该下限值和/或该上限值在多个值之间选择，该多个值对应于该紧固件的尺寸与该待紧固的部件的种类的组合。

15.  如权利要求1所述的动力紧固工具，其中，
该紧固判断器进一步计算在该扭矩变化率连续地为正值的期间内，该扭矩变化率的和值或积分值；并且
在用于紧固该紧固件的该估算的扭矩值大于该下限值，和该扭矩变化率的值由正变为负的条件之外，当该扭矩变化率的和值或积分值大于预定阈值的条件得到满足时，判定该紧固件已被完全紧固。

16.  如权利要求15所述的动力紧固工具，其中，
相应于该下限值设定该阈值。

17.  如权利要求1所述的动力紧固工具，其中，
该扭矩设定器具有一作业选择开关，用于选择紧固作业的种类；以及
相应于紧固作业的种类，当该估算的扭矩值大于该扭矩的下限值，和该扭矩变化率的值由正变为负的条件之一得到满足时，和在该估算的扭矩值大于该扭矩的下限值，并且该扭矩变化率的值由正变为负之后，该扭矩变化量的值由正变为负的条件得到满足时，紧固判断器判定该紧固操作已完成。

18.  如权利要求1所述的动力紧固工具，其中，
当该扭矩的下限值等于或小于一预定值时，当满足该估算的扭矩值大于该扭矩的下限值，和该扭矩变化率的值由正变为负的条件时，紧固判断器判定该紧固操作完成；
在该扭矩的下限值大于该预定值时，在满足该估算的扭矩值大于该扭矩的下限值，和该扭矩变化率的值由正变为负的条件之后，当满足该扭矩变化量的值由正变为负的条件时，该紧固判断器判定该紧固操作完成。

动力紧固工具
技术领域
本发明涉及一种用于紧固诸如螺钉或螺栓之类的紧固件的动力紧固工具，比如冲击起子(impact driver)或冲击扳手(wrench)。
背景技术
一般地，利用电动机的驱动力来紧固诸如螺钉或螺栓之类的紧固件的动力紧固工具，均具有这种功能，即当用于紧固该紧固件所需要的扭矩由于紧固件已被完全紧固而达到预定值时，可自动地停止电动机的驱动。
在第一常规动力紧固工具，例如用于拧紧紧固件的冲击扳手中，如日本专利申请4-322974的专利公报所示出的那样，感测锤件的冲击次数，并在冲击次数达到预定参考次数时，自动地停止电动机的驱动。
在日本专利申请9-285974的专利公报中，示出了第二常规动力紧固工具，其感测紧固件的旋转角，并在旋转角达到预定参考角时，停止电动机的驱动。
在日本专利申请6-91551的专利公报中，示出了第三常规动力紧固工具，其感测紧固紧固件所必需的实际扭矩，并在实际扭矩达到预定参考值时，停止电动机的驱动。
对应于冲击次数来停止电动机的驱动的该第一常规动力紧固工具，与对应于旋转角来停止电动机的驱动的该第二常规动力紧固工具各具有以下弊端：用于紧固该紧固件的所需扭矩与实际扭矩之间会出现较大的误差。在实际扭矩比所需扭矩小得多时，该误差造成紧固件由于扭矩不足而松动。或者在实际扭矩比所需扭矩大得多时，该误差会造成螺钉或螺栓所紧固的元件损坏，或紧固件的头部由于过量扭矩而损坏。
另一方面，对应于紧固该紧固件的实际扭矩来停止电动机驱动的该第三常规动力紧固工具，需要在输出轴上设置传感器，以感测实际扭矩，从而即使能够对应于实际扭矩而精确控制电动机自动停止驱动，也会造成成本增加和动力紧固工具的体积变大。
为了解决上述问题，在日本专利申请2001-277146的专利公报中示出的第四常规动力紧固工具中，根据电动机的轴的转速或锤件的冲击能量，估算用于紧固该紧固件的扭矩。当估算的扭矩突然增大时，判定该紧固件已被完全紧固。当估算的扭矩突然增大时，停止电动机的驱动。
在该第四常规动力紧固工具中，当由于紧固操作发生故障而使得扭矩临时增大时，电动机的驱动就有可能在紧固件被完全紧固之前就停止。为防止在紧固件被完全紧固之前停止电动机的驱动，考虑只有在扭矩值大于预定阈值时，才停止电动机。在实际的紧固操作中，由于具有多种形式或由多种材料制成的螺栓、螺帽等都能用作紧固件，所以通过设定一个对应于紧固该紧固件的扭矩的阈值，难以在紧固件被完全紧固之时确定地停止电动机的转动。
作为紧固操作中的故障的起因的例子有：螺栓的线槽不规则，位于螺栓与螺帽之间的构件的微小的翘曲，螺栓与螺帽的偏心(decentering)，在螺栓与螺帽之间夹有灰尘，螺栓表面上涂覆的烤漆的脱落，位于螺栓与螺帽之间的构件的上升。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于紧固诸如螺钉或螺栓之类的紧固件的动力紧固工具，通过该工具，即使是各种紧固件和待紧固的部件，仍然能够恰好在紧固件被完全紧固之时，确定地停止电动机的驱动，而不会对临时的扭矩增加作出反应。
按照本发明的方案的动力紧固工具包括：电动机；电动机控制器，用于控制该电动机的驱动的启动与停止；动力传递器，用于传递该电动机的驱动力到用于紧固或松开该紧固件的输出轴上；扭矩估算器，用于估算紧固该紧固件的扭矩的值；以及紧固判断器，用于判断该紧固件是否被完全紧固。
紧固判断器计算扭矩变化量ΔT和扭矩变化率ΔΔT，其中，扭矩变化量ΔT是估算的扭矩T的变化相对于电动机的轴的旋转角或经过的时间地比率，扭矩变化率ΔΔT是扭矩变化量ΔT相对于电动机的轴的旋转角或经过的时间的比率。
接下来，当估算的扭矩T的值大于预定的扭矩的下限值T1，和扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时，紧固判断器判断已完成紧固操作。
在对紧固件如螺钉或螺栓的紧固操作中，由故障引起的扭矩变化率ΔΔT的峰值，一般小于由紧固件的完全紧固引起的扭矩变化率ΔΔT的峰值，并且在故障发生时估算的扭矩T的值，也小于紧固件被完全紧固时的估算的扭矩T的值。当在由紧固件的完全紧固引起的扭矩变化率ΔΔT的峰值与由故障引起的扭矩变化率ΔΔT的峰值之间，设定适当的下限值T1后，就能够将由紧固件的完全紧固引起的扭矩的增加，从由故障引起的扭矩的增加中区分开来。因此，上述设置的动力紧固工具能够在紧固件被完全紧固之后，自动地停止电动机的驱动。
动力紧固工具还可包括扭矩设定器，使用者能够通过该扭矩设定器可选择地设定该预定的下限值T1。
由于扭矩的下限值可由使用者可选择地设定，通过将下限值T1设定为对应于紧固件的种类，或将要被紧固件紧固的部件的材料的种类的适当值，能够恰好在紧固件被完全紧固之时，停止电动机的驱动。
紧固判断器还可计算扭矩变化量ΔT和扭矩变化率ΔΔT，以及在扭矩变化率ΔΔT连续地为正值的期间内的扭矩变化率ΔΔT的和或积分值，其中，扭矩变化量ΔT是估算的扭矩T的变化相对于电动机的轴的旋转角或经过的时间的比率，扭矩变化率ΔΔT是扭矩变化量ΔT相对于电动机的轴的旋转角或经过的时间的比率。
接下来，除了满足用于紧固该紧固件的该估算的扭矩T的值大于该下限值T1，和该扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负的条件之外，当满足该扭矩变化率ΔΔT的和或积分值大于预定阈值C时，紧固判断器判定紧固件已被完全紧固。
如上所述，由故障引起的扭矩变化率ΔΔT的峰值，一般小于由紧固件的完全紧固引起的扭矩变化率ΔΔT的峰值，并且由故障发生引起的扭矩变化率ΔΔT连续地为正值的期间，一般短于由紧固件的完全紧固引起的扭矩变化率ΔΔT连续地为正值的期间。在由于故障引起的扭矩变化率ΔΔT连续地为正值的部分上的扭矩变化率ΔΔT的和值或积分值，比由紧固件的完全紧固引起的部分上的扭矩变化率ΔΔT的和值或积分值要小得多。因此，即使发生由故障引起的扭矩增加大于下限值的情况，仍然能够肯定地将由紧固件的完全紧固引起的扭矩的增加从由故障引起的扭矩的增加区分开。即使在紧固件已被完全紧固之前，出现了由故障引起扭矩变化率ΔΔT的峰值，仍然可以防止电动机驱动的停止。
或者，当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于下限值T1，和扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时，或者在当除了估算的扭矩T的值大于扭矩的下限值T1，和扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负的条件之外，当在扭矩变化率ΔΔT连续地为正值的期间内的扭矩变化率ΔΔT的和值或积分值大于预定阈值C时，紧固判断器判定紧固操作已完成。
在前一种情况中，在紧固件已被完全紧固之后，并在用于紧固该紧固件的估算的扭矩T到达峰值之前，可以停止电动机的驱动，从而其适于小扭矩的紧固操作，如木制品。在后一种情况中，在用于紧固该紧固件的估算的扭矩T基本上为峰值时，可以停止电动机的驱动，从而其适于大扭矩的紧固操作，如金属制品。
该动力紧固工具还可包括判断条件选择器，使用者能够通过该判断条件选择器可选择地选择上述两种用于判断紧固操作被完成的条件的其中之一。使用者使用该判断条件选择器，能够容易地选择适于作业类型的判断条件。
附图说明
图1是表示动力冲击工具的结构的方框图，该动力冲击工具是按照本发明第一实施例的动力紧固工具的实例；
图2是表示在第一实施例的紧固操作中的估算的扭矩T、扭矩变化量ΔT、扭矩变化率ΔΔT、下限值T1的变化的实例的曲线图；
图3是第一实施例的扭矩设定器的实例的正视图；
图4是第一实施例的扭矩设定器的另一实例的正视图；
图5是表示第一实施例的动力冲击工具的操作的流程图；
图6是表示第一实施例的动力冲击工具的另一操作的流程图；
图7是表示第一实施例的动力冲击工具的另一结构的方框图；
图8是表示第一实施例的动力冲击工具的又一结构的方框图；
图9是表示按照本发明第二实施例的动力冲击工具的操作的流程图；
图10是表示在第二实施例的紧固操作中的估算的扭矩T、扭矩变化量ΔT、扭矩变化率ΔΔT、下限值T1的变化的实例的曲线图；
图11是表示图10中的峰值曲线S1的放大曲线图；
图12是按照本发明第三实施例的、具有工作选择开关的扭矩设定器的实例的正视图；
图13是第三实施例的动力冲击工具的操作流程图；
图14是第三实施例中在木制品与金属制品的情况下，当紧固操作完成时，估算的扭矩T的值的差异的实例曲线图；
图15是第三实施例的扭矩设定器的另一实例的正视图；
图16是表示按照本发明第四实施例的动力冲击工具的操作流程图；
图17是表示第四实施例中正常控制操作的实例的曲线图，在该正常控制操作中，当紧固判断器判定紧固件被完全紧固时，正常地停止电动机的驱动；
图18是表示第四实施例中上限控制操作的实例的曲线图，在该上限控制操作中，当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于扭矩的上限值T2时，非正常地停止电动机的驱动；
图19是表示第四实施例中相对于上限值T2的级别，下限值T1与上限值T2(T1/T2)的关系的表格；
图20是表示第四实施例中的另一个上限值控制操作的实例的曲线图，其中预先设定了多个上限值T2的级别；
图21是根据本发明第五实施例的扭矩设定器的实例的正视图；
图22是第五实施例的扭矩设定器的另一实例的正视图；
图23是根据本发明第六实施例的扭矩设定器的实例的正视图；
图24是表示第六实施例中，对应于待紧固的部件的材料与紧固件的尺寸的组合的、该下限值T1和/或上限值T2的级别的实例的表格。
具体实施方式
第一实施例
下面描述按照本发明第一实施例的动力紧固工具。图1示出了第一实施例的用于紧固诸如螺钉或螺栓之类的紧固件的动力冲击工具的结构，作为动力紧固工具的实例。
该动力冲击工具包括：电动机1，用于产生驱动力；动力传递器10，用于将电动机1的驱动力传递到输出轴7上。用于紧固或松开诸如螺钉或螺栓之类的紧固件的刀头(bit)31，可分离地安装在输出轴7的顶端。动力传递器10还包括：减速器2，用于降低电动机1的轴的转速(下文简称为电动机1的转速)；驱动轴3，连接于减速器2上，并被电动机1的驱动力转动；锤件4，经键槽架(spline bearing)啮合于驱动轴3；砧件5，利用离合机构啮合于驱动轴3；以及弹簧6，用于向砧件5的方向对锤件4施加压力。
锤件4能够经键槽架在驱动轴3的轴向上移动，并且随着驱动轴3而转动。该离合机构设置于锤件4和砧件5之间。在初始状态下，锤件4在弹簧6的压力作用下被压到砧件5上。输出轴7可分离地装配到砧件5上。因此，输出轴7能够在电动机1的驱动力作用下，随着驱动轴3、锤件4和砧件5而转动。
一对凸轮面形成于例如砧件5的上表面和锤件4的下表面上，起到凸轮机构的作用。例如，当紧固件已被紧固并且输出轴7的转动被停止时，锤件4上的凸轮面会由于随着驱动轴3的转动，而在砧件5上的凸轮面上滑动，从而锤件4随着凸轮面的升高，沿着驱动轴3在离开砧件5的方向上反抗弹簧6的压力而移动。当锤件4转了一圈之后，例如基本一周时，凸轮面形成成的约束突然释放，从而锤件4在随着驱动轴3转动的同时，会由于弹簧6所存储的压力而冲击砧件5。因此，由于锤件4的重量比砧件5的重量大得多，强大的紧固力能够经砧件5而施加在输出轴7上。通过锤件4在转动方向上对砧件5的反复冲击，紧固件能够以必需的紧固扭矩而被完全地紧固。
电动机1由电动机驱动器8驱动，以启动和停止轴的转动。电动机驱动器8还连接于电动机控制器30，向该控制器输入与触发器开关9的位移(行程或按压深度)相对应的信号。电动机控制器30相应于从触发器开关9输出的信号，判断使用者的意图是启动还是停止电动机1的驱动，并且将用于启动或停止电动机1的驱动的控制信号输出到电动机驱动器8。
电动机驱动器8构成为利用功率晶体管的模拟功率电路等，以稳定地提供大电流到电动机1。可充电电池32连接于电动机驱动器8，用于提供电力到电动机1。另一方面，电动机控制30由例如CPU(中央处理单元)、ROM(只读存储器)和RAM(随机存取存储器)构成，用于产生对应于控制程序的控制信号。
该动力冲击工具还包括：冲击传感器11，用于感测锤件4对砧件5的冲击；旋转角传感器12，用于感测输出轴7的旋转角；旋转角计算器13，用于使用冲击传感器11与旋转角传感器12的输出，计算砧件5或输出轴7在锤件4的每一次冲击下的旋转角Δr；以及扭矩估算器14，用于使用旋转角Δr，估算用于紧固该紧固件的扭矩。这些元件构成用于估算紧固该紧固件的扭矩的装置。
具体地，冲击传感器11是麦克风16，用于以电压变化的形式感测由锤件4冲击砧件5时所产生的轰隆声。旋转角传感器12是旋转编码器19，该旋转编码器19由随输出轴7转动的盘片17和用于感测盘片17的旋转角的传送光遮断器18构成，其中，盘片17还具有切口。因此，砧件5或输出轴7的旋转角被感测为脉冲信号。麦克风16与旋转编码器19分别连接于波形整形电路20上，以便执行滤波处理，并且被波形整形电路20处理后的信号被输入到旋转角计算器13中。
旋转角计算器13顺次计算砧件5或输出轴7在锤件4的每一次冲击下的旋转角Δr，而扭矩估算器14顺次估算用于紧固该紧固件的估算的扭矩T。利用如下等式来计算估算的扭矩T，该等式表示出这种关系，即冲击所施加的能量基本上等于紧固该紧固件所消耗的能量。
T＝(J×ω²)/(2×Δr)
在这里，符号T表示用于紧固该紧固件的估算的扭矩；符号J表示砧件5的转动惯量；符号ω表示当锤件4进行冲击时砧件5的转速。
该动力冲击工具还包括紧固判断器21与连接于紧固判断器21的扭矩设定器23。该紧固判断器21根据扭矩估算器14计算出的估算的扭矩T，计算扭矩变化量ΔT和扭矩变化率ΔΔT，并判断是否紧固件的紧固操作已完成。扭矩变化量ΔT对应于用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的变化相对于电动机1的轴的旋转角或所经过的时间的比率。而扭矩变化率ΔΔT对应于扭矩变化量ΔT相对于电动机1的轴的旋转角或所经过的时间变化的比率。
为得到扭矩变化量ΔT与扭矩变化率ΔΔT，简单计算此时所计算得到的值与预先计算得到的值之间的差即可。然而，优选地，计算估算的扭矩T和扭矩变化量ΔT的第一预定数目的值的平均值，与另一第二预定数目的值的平均值之差，以从整体上综合估算的扭矩T的变化或扭矩变化量ΔT。具体地，扭矩变化量ΔT是四个估算的扭矩T的值的平均值与六个估算的扭矩T的值的另一个平均值之差。类似的，扭矩变化率ΔΔT是两个扭矩变化量ΔT的值的平均值与八个扭矩变化量ΔT的值的另一个平均值之差。
紧固判断器21计算上述扭矩变化量ΔT与扭矩变化率ΔΔT。进一步地，当扭矩变化量ΔT的值从正变为负，并且估算的扭矩T的值大于预定的下限值T1时，紧固判断器21判定紧固操作已完成。当紧固判断器21判定紧固操作已完成时，紧固判断器21输出表示紧固件已被完全紧固的信号到电动机控制器30。当电动机控制器30接收到来自紧固判断器21的信号后，输出用于停止电动机的驱动的控制信号到电动机驱动器8。
图2表示在紧固件的紧固操作中，估算的扭矩T、扭矩变化量ΔT、扭矩变化率ΔΔT的变化实例。如图2所示，出现在曲线上的由符号T标识的波峰P3，表示紧固件已被完全紧固之后估算的扭矩T的变化。表示扭矩变化率ΔΔT的变化的、由符号ΔΔT标识的波峰曲线S3出现得比波峰P3的出现稍前。当波峰曲线S3出现时，可以判定紧固件已被完全紧固。一般地，由于前述在紧固件的紧固操作中出现的故障，波峰P1、P2等呈现在曲线T上，从而波峰曲线S1、S2等接着相应地出现了。波峰曲线S1、S2等的出现会引起电动机1的驱动在紧固件已被完全紧固之前，就停止的故障。
在第一实施例中，注意到由于故障引起的波峰曲线S1、S2的峰值低于由于紧固件被完全紧固引起的波峰曲线S3，从而选择下限值T1为波峰P3的值与波峰P2的值之间的适当值。只有在不仅扭矩变化率ΔΔT从正值变为负值，而且估算的扭矩T的值大于预定的下限值T1时，紧固判断器21才输出用于停止电动机的驱动的控制信号。因此，可以防止由故障引起的扭矩的增大，进而造成的在紧固件已被完全紧固之前就停止电动机1的驱动的误操作。
图3与图4分别示出了扭矩设定器23前视图的实例。在图3所示出的实例中，扭矩设定器23具有旋转开关24、旋转开关的刻度盘25以及连接于旋转开关24的开关电路(未示出)，该开关电路用于相应于旋转开关的指示位置，来改变输出信号的电平。扭矩的下限值T1能够对应于刻度盘的位置，从数字1至9所标识的九个级别和关闭档中来选择，扭矩值在关闭档处变为无穷大。
在图4所示的实例中，扭矩设定器23具有：LED阵列26，起到用于表示九级扭矩值的指示器的作用；两个按钮开关27和28；以及连接于LED阵列26和按钮开关27、28的开关电路(未示出)，用于对应于按钮开关27、28的按压次数或LED阵列26中点亮的LED的个数，来改变扭矩的下限值T1的级别。
当紧固件或将要被紧固件紧固的部件由较软的材料制成或者紧固件的尺寸较小时，紧固该紧固件所需的扭矩较小，从而优选地将下限值T1设定得较小。或者，当紧固件或将要被紧固件紧固的部件由较硬的材料制成或者紧固件的尺寸较大时，紧固该紧固件所需的扭矩较大，从而优选地将下限值T1设定得较大。结果，能够对应于紧固件或将要被紧固件紧固的部件的材料或紧固件的尺寸，来适当地进行紧固操作。
接下来，描述动力冲击工具的紧固操作。图5表示第一实施例的紧固件的紧固操作的基本流程，其中，当估算的扭矩T的值大于预定的下限值T1，并且扭矩变化率ΔΔT的值由正变为负时，紧固件的紧固操作完成。
当使用者操作触发器开关9时，电动机控制器30输出用于启动电动机1的驱动的控制信号，以便紧固该紧固件。冲击传感器11开始感测锤件4冲击的发生(S1)。当冲击传感器11感测到冲击的发生时(S2中的“是”)，旋转角计算器1 3计算在锤件4冲击砧件5时砧件5的旋转角Δr(S3)。旋转角计算器13进一步计算冲击发生时砧件5的转速ω(S4)。当计算出旋转角Δr和转速ω时，扭矩估算器14按照上述等式计算所估算的扭矩T(S5)。紧固判断器21计算扭矩变化量ΔT与扭矩变化率ΔΔT(S6和S7)。接下来，紧固判断器21判断用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值是否大于下限值T1(S8)。当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于下限值T1时(S8中的“是”)，紧固判断器21进一步判断扭矩变化率ΔΔT的值是否从正变为负(S9)。当扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时(S9中的“是”)，紧固判断器21判定估算的扭矩T的值的增加是由于紧固件已被完全紧固。紧固判断器21执行用于停止电动机1的驱动的停止步骤(S10)。或者，当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值不大于下限值T1时(S8中的“否”)，或当扭矩变化率ΔΔT的值没有由正变为负时(S9中的“否”)，紧固判断器21判定紧固件尚未被完全紧固。重复地执行步骤S1至S9，直到紧固件被完全紧固为止。
关于紧固判断器21的判断顺序，紧固判断器21也可先判断扭矩变化率ΔΔT的值的变化(S8’)，然后比较估算的扭矩T的值是否大于下限值T1(S9’)，如图6所示。
另外，关于该估算的扭矩T与该下限值T1的比较，当该估算的扭矩T正好等于该下限值T1时，该紧固判断器21也可在步骤S8判定为“是”，然后进行到步骤S9。
接下来，图7与图8示出了第一实施例的动力冲击工具的改型的结构。在图7所示的改型中，动力冲击工具包括频率发生器(FG)28，波形整形电路20，和用于代替旋转编码器19来感测电动机1的转速的转速计算器22，和连接在麦克风16与旋转角传感器13之间的冲击传感器29。频率发生器28输出对应于电动机1的转动轴的转动的脉冲信号。频率发生器28的输出信号经波形整形电路20被输入到旋转角传感器13与转速计算器22，以执行滤波处理。转速计算器22还连接于扭矩估算器14。
当冲击传感器29根据来自麦克风16的输出信号，感测到每次发生的锤件4的冲击时，旋转角计算器13使用以下等式顺次计算砧件5(或输出轴7)的旋转角Δr。
Δr＝(ΔRM/K)-RI
这里，符号ΔRM表示电动机1的转动轴的旋转角，该旋转角通过频率发生器28的输出获得，而非直接感测砧件5的旋转角Δr，符号K表示减速器2的、电动机1的转动轴与输出轴7的减速比，并且符号RI表示锤件4的空转角。例如，在驱动轴3的一次转动中，锤件4两次冲击砧件5时，空转角RI变成2π/2，在驱动轴3的一次转动中，锤件4三次冲击砧件5时，空转角RI变成2π/3。
通过将电动机1的转速除以减速器2的减速比K，能够获得在锤件4冲击时砧件5的转速ω的近似值。转速计算器22利用频率发生器28的输出，计算电动机1的转动轴的转速。扭矩估算器14利用转速计算器22输出的电动机1的转动轴的转速，计算在锤件4冲击时砧件5的转速ω，并进一步利用转速ω与旋转角计算器13计算出的、在锤件4每次冲击时砧件5的旋转角Δr，计算估算的扭矩T的值。
在图8所示的改型中，来自频率发生器28的输出信号进一步经波形整形电路20被输入到冲击传感器29。频率发生器28不仅用作转速传感器的一部分，并且用作代替麦克风16的冲击传感器的一部分。具体地，当锤件4冲击砧件5时，电动机1的转速由于负载的波动会少许地减小，从而频率发生器28输出的频率信号的脉宽会少许地变宽。冲击传感器29感测到频率信号的脉宽在冲击发生时的变化。而且，能够利用加速度传感器感测锤件4在砧件5上的冲击的发生。
第二实施例
下面描述按照本发明第二实施例的动力紧固工具。第二实施例的动力紧固工具的结构与前述第一实施例的结构基本上相同，除了对紧固件的完全紧固的判断不同。因此，仅描述第二实施例的动力紧固工具与第一实施例的动力紧固工具的不同点。图1所示的动力冲击工具用作第二实施例的动力紧固工具的实例。然而，图7、图8所示的动力冲击工具也可用作第二实施例的动力紧固工具的实例。其他实施例亦同理。
图9示出了第二实施例的紧固件的紧固操作的基本流程，其中，在扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负，且用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于预定的下限值T1之后，当在扭矩变化率ΔΔT为正值的期间内，锤件4的每次冲击时扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)大于预定阈值C时，完成紧固件的紧固操作。在图9中，步骤S11至S17基本上与图5的步骤S1至S7相同。
紧固判断器21还在扭矩变化率ΔΔT为正值的期间内，计算锤件4的每次冲击时扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)(S18)。接下来，紧固判断器21判断用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值是否大于该下限值T1(S19)。当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于下限值T1(S19中的“是”)，紧固判断器21进一步判断扭矩变化率ΔΔT的值是否从正变为负(S20)。当扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时(S20中的“是”)，紧固判断器21进一步判断扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)是否大于预定阈值C(S21)。当扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)大于预定阈值C(S21中的“是”)，紧固判断器21判定估算的扭矩T的增加是由于紧固件被完全紧固。紧固判断器21执行用于停止电动机1的驱动的停止步骤(S22)。或者，当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值不大于下限值T1(S19中的“否”)，或当扭矩变化率ΔΔT的值没有从正变为负时(S20中的“否”)，或当扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)不大于预定阈值C(S21中的“否”)，紧固判断器21判定紧固件尚未被完全紧固。重复地执行步骤S11至S21，直到紧固件被完全紧固为止。
在前述图2所示的实例中，适当地设定下限值T1为介于波峰P3与P2的值之间。然而，由故障引起的波峰P2的值是不确定，从而下限值T1的值可能会小于波峰P2的值，如图10所示。
在第二实施例中，注意到因为由故障引起的波峰曲线S1与S2的峰值低于由紧固件被完全紧固引起的波峰曲线S3的峰值，在由故障引起的、扭矩变化率ΔΔT为正值的期间时、锤件4的每次冲击时发生的扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)，小于由紧固件的被完全紧固时引起的扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)。在这种情况下，将阈值C定义为大于由故障引起的波峰曲线S1与S2的扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)，并小于由紧固件被完全紧固时引起的波峰曲线S3的扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)。
在图11的情况下，其放大地示出了峰值曲线S1，和∑(ΔΔT)＝ΔΔT10+ΔΔT101+ΔΔT102...+ΔΔT11。然而，并不限于使用在扭矩变化率ΔΔT为正值的期间，锤件4的每次冲击时发生的扭矩变化率ΔΔT的值的和∑(ΔΔT)。还可以使用在扭矩变化率ΔΔT连续地为正值的期间，扭矩变化率ΔΔT的积分值来作为参考指标(reference index)。
通过这种配置，即使当由故障引起的估算的扭矩T的变化的峰值大于扭矩的下限值T1时，仍能够无故障地恰好在紧固件被完全紧固之时，停止电动机1的驱动。
能够对应于扭矩设定器23所设定的扭矩的下限值T1，自动地设定预定的阈值C。具体地，阈值C是，以下限值T1越大，阈值C就越大的方式，通过将扭矩设定器23的刻度盘的指示的数字与一系数的相乘而计算出的值。因此，能够借助于最适合的阈值C的值，判断紧固件的完全紧固，而无需对应于工作过程的种类来设定阈值C。
第三实施例
在第三实施例中，紧固判断器21具有用于对应于作业的种类来判断紧固件完全紧固的两种条件。
图12示出了扭矩设定器23的正视图的实例。与图3所示的实例相比，扭矩设定器23进一步具有作业选择开关33，用于选择作业的种类，其输出对应于使用者的选定的信号。在该实施例中，作业选择开关33能在木制品与金属制品之间进行选择。
图13示出了第三实施例的紧固件的紧固操作的基本流程，其中，在木制品的情况下，当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于扭矩的下限值T1，且扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时，完成紧固件的紧固操作；而在金属制品的情况下，在用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于扭矩的下限值T1，且扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负之后，扭矩变化量ΔT的值从正变为负时，完成紧固件的紧固操作。在图13中，步骤S31至S37基本上与图5的步骤S1至S7相同。
紧固判断器21还判断标志(flag)是否已打开(S38)。在该流程起始时，该标志尚未打开。该标志的细节将在下文描述。当该标志打开时，紧固判断器21进一步判断用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值是否大于扭矩的下限值T1(S39)。当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于下限值T1时(S39中的“是”)，紧固判断器21进一步判断扭矩变化率ΔΔT的值是否从正变为负(S40)。当扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时(S40中的“是”)，紧固判断器21进一步判断在作业选择开关33中是否选择的是木制品(S41)。当在作业选择开关33中选择的是木制品时(S41中的“是”)，紧固判断器21判定估算的扭矩T的增加是由于紧固件被完全紧固。紧固判断器21执行用于停止电动机1的驱动的停止步骤(S42)。
或者，当在作业选择开关33中选择的是金属制品时(S41中的“否”)，紧固判断器21打开该标志，接着流程返回到步骤S31。在执行步骤S31至S27之后，紧固判断器21再次判断标志是否已打开(S38)。此时，由于在步骤S38该标志已被打开，紧固判断器21进一步判断扭矩变化量ΔT的值是否从正变为负(步骤S44)。当扭矩变化量ΔT的值从正变为负时(S44中的“是”)，紧固判断器21判定估算的扭矩T的增加是由于紧固件被完全紧固。紧固判断器21执行用于停止电动机1的驱动的停止步骤(S42)。
或者，当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值不大于下限值T1时(S39中的“否”)，当扭矩变化率ΔΔT的值没有从正变为负时(S40中的“否”)，或当扭矩变化量ΔT的值没有从正变为负时(S44中的“否”)，紧固判断器21判定紧固件尚未被完全紧固。除了步骤S42，重复进行步骤S31到步骤S44，直到紧固件被完全紧固为止。
图14表示在木制品与金属制品的情况下，当紧固操作完成时，估算的扭矩T的值的差异。在木制品的情况下，当紧固件如带螺纹的钉子被紧固到紧固扭矩达到峰值P3时，紧固件的螺纹可能会被剥掉，或裂缝会出现在被该紧固件紧固的木制部件上。因此，优选的，在用于紧固该紧固件的扭矩达到峰值之前，就停止该紧固件的紧固操作。或者，在金属制品的情况下，即使当紧固件被紧固直到该扭矩达到峰值为止，被该紧固件紧固的金属部件上很少会出现损坏。
与第二实施例相似，在判断紧固件的紧固操作是否已完成时，除了扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负，和用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于预定下限值T1的条件之外，还可以进一步增加如下条件，即在扭矩变化率ΔΔT为正值的期间，锤件4的每次冲击时的扭矩变化率ΔΔT的积分值或和值∑(ΔΔT)大于预定阈值C。
图15示出了扭矩设定器23的正视图的另一实例。当扭矩设定器23中设定的扭矩的下限值T1等于或小于例如对应于级别5的一预定值时，可以自动地选择木制品。当扭矩的下限值T1等于或大于例如对应于级别6的值时，可以自动地选择金属制品。
第四实施例
在第四实施例中，能够在扭矩设定器23中设定扭矩的上限值T2，并且下限值T1能对应于上限值T2的级别自动地设定。当由扭矩估算器14计算出的估算的扭矩T的值大于上限值T2时，即使紧固判断器21不能判定紧固件已完全紧固，仍然强制停止电动机1的驱动。
图16表示第四实施例的紧固件的紧固操作的基本流程，其中，用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值，不仅与扭矩的下限值T1比较，而且与上限值T2比较，从而不仅在木制品的情况下，用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于扭矩的下限值T1，并且扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时会完成该紧固件的紧固操作，而且在估算的扭矩T的值大于扭矩的上限值T2时，也会完成紧固件的紧固操作。在图16中，步骤S51至S57基本上与图5的步骤S1至S7相同。
在冲击感测过程之前，对应于扭矩设定器23中设定的上限值T2，计算下限值T1(步骤S50)。在扭矩设定器23或紧固判断器21中执行上限值T2的计算。
紧固判断器21进一步判断用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值是否大于扭矩的上限值T2(S58)。当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于上限值T2时(S58中的“是”)，紧固判断器21执行用于停止电动机1的驱动的停止步骤(S42)，而与紧固件是否被完全紧固的判断(S61)无关。
或者，当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值不大于上限值T2时(S58中的“否”)，紧固判断器21进一步判断用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值是否大于下限值T1(S59)。当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于下限值T1时(S59中的“是”)，紧固判断器21进一步判断扭矩变化率ΔΔT的值是否从正变为负(S60)。当扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负时(S60中的“是”)，紧固判断器21判定估算的扭矩T的增加是由于紧固件被完全紧固。紧固判断器21执行用于停止电动机1的驱动的停止步骤(S61)
或者，当用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值不大于下限值T1时(S59中的“否”)，或当扭矩变化率ΔΔT的值没有从正变为负时(S60中的“否”)，紧固判断器21判定紧固件尚未被完全紧固。重复进行步骤S51到步骤S60，直到紧固件被完全紧固为止。
图17示出了当紧固判断器21判定紧固件被完全紧固时，电动机1的驱动的正常停止的实例。图18示出了当紧固判断器21判定用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于扭矩的上限值T2时，电动机1的驱动非正常地停止的另一实例。
关于扭矩的下限值T1与上限值T2的关系，可以这样计算下限值T1，使下限值T1与上限值T2的比值为常数如50％(T1/T2＝50％)。或者，对应于下限值T1的级别，改变下限值T1与上限值T2的比值，如图19所示。在后一种情况下，上限值T2越大，下限值T1与上限值T2的比值就越小。
进一步地，可以在扭矩设定器23中预先设定多个级别的上限值T2，如图20所示，并且将下限值T1设定得比上限值T2低一个级别。通过这种设置，可以省略下限值T1的计算。
与第二实施例相似，在判断紧固件的紧固操作是否已完成时，除了扭矩变化率ΔΔT的值从正变为负，和用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值大于预定下限值T1的条件之外，还可以进一步增加如下条件，即在扭矩变化率ΔΔT为正值的期间，锤件4的每次冲击时的扭矩变化率ΔΔT的积分值或和值∑(ΔΔT)大于预定阈值C。
第五实施例
在第五实施例中，紧固判断器21能够在使用扭矩的下限值T1的正常控制模式与仅使用扭矩的上限值T2的上限控制模式之间，切换电动机1的驱动模式。
图21示出了扭矩设定器23的正视图的实例。该扭矩设定器23还包括模式选择开关36，用于相应于按钮37的位置，在正常控制模式与上限控制模式中切换。当选择正常控制模式时，该扭矩设定器23用于设定该下限值T1。或者，当选择上限控制模式时，扭矩设定器23用于设定上限值T2。
当选择的是正常控制模式时，动力冲击工具的操作基本上与前述第一实施例的操作相同。或者，当选择的是上限控制模式时，紧固判断器21仅判断用于紧固该紧固件的估算的扭矩T的值是否大于上限值T2，而不使用下限值T1。正常控制模式适用于大扭矩的紧固操作，如金属制品，其中要被紧固件紧固的部件很少会被紧固操作损坏。上限控制模式适用于小扭矩的紧固操作中，如木制品，其中紧固件的螺纹可能会被剥掉，或在被该紧固件紧固的部件上会出现裂缝。
图22表示扭矩设定器23的正视图的另一实例。在该实例中，正常控制模式与上限控制模式对应于刻度盘25的旋转开关24的位置自动切换。当旋转开关24位于级别1到3的其中之一时，紧固判断器21自动选择上限控制模式。当旋转开关24位于级别4到9的其中之一时，紧固判断器21自动选择正常控制模式。
第六实施例
在第六实施例中，相应于作业的选择与紧固件的尺寸设定下限值T1与上限值T2。
图23示出了扭矩设定器23的正视图的实例。扭矩设定器23具有：第一和第二旋转开关38和39；旋转开关的两个刻度盘40、41；以及连接于旋转开关38、39的开关电路(未示出)，用于对应于旋转开关38、39在刻度盘40、41上指示位置的组合，改变输出信号的电平。第一旋转开关38用于选择紧固件的尺寸，第二旋转开关39用于选择紧固件将紧固的部件的材料种类或作业的种类。图24示出了一表格，该表格表示了对应于将要被紧固件紧固的部件的材料或作业的种类、以及紧固件的尺寸的扭矩的下限值T1和/或上限值T2的级别的实例。假设使用者设定第一旋转开关38指示25mm，设定第二旋转开关39指示木制品。该开关电路输出与第四级的扭矩参考值相对应的信号，以使紧固判断器21设定适合木制品的下限值T1和/或上限值T2。
其他改型
在前述实施例中，动力冲击工具被描述为本发明的动力紧固工具的实例。然而，本发明并不限于上述实施例。
此外，在上述描述中，电动机1被用作驱动电源。然而，本发明并不限于该实施例的描述或附图。也可使用另一驱动源比如压缩空气等。
而且，在上述描述中，下限值T1和/或上限值T2可由使用者设定于扭矩设定器23中。然而，下限值T1和/或上限值T2也可预先设定于紧固判断器21中。
本申请基于2003年10月14日在日本提交的专利申请2003-354198，这里并入其全部内容，以作为参考。
尽管已经参照附图通过实例完全地描述了本发明，但是应当认为各种变化和改型对于本领域技术人员是明显的。因此，只要这些变化和改型不脱离本发明的范围，它们就应当理解为被涵盖于其中。