SE532792C2 - Regulator för kraftverktyg - Google Patents

Description

Lil hi! hä' “al f F! hä' momentet uppnås inom en bestämd tid. Kp värdet måste därför vara tillräckligt stort för att uppnå det förutbestämda åtdragningsmomentet. Men för att uppnå detta vridmoment med en rimlig tolerans måste KI och KD vara tillräckligt exakta för att kompensera för den minskade stabiliteten och bruset i utsignalen. Vid tillämpning av ett elektriskt åtdragningsverktyg regleras referens strömmen eller referens hastigheten för den elektriska motorn av regulatorn.

En nackdel vid användning av en PID regulator är att det är svårt att uppnå ett acceptabelt vridmoment inom ett kort tidsintervall på grund av att koiripensationen genom K; och KD tar tid. Resultatet av detta är en minskad effektivitet och en ökad temperatur i verktyget. En annan nackdel är att verktyget utsätts för ökade laster och spänningar samt variation i motorspänning som i sin tur leder till minskad livslängd och försämrad ergonomi för operatören.

Ett objektivt problem som löses av uppfinningen är att åstadkomma en regulator som uppvisar en bättre effektivitet vid åtdragning av fästelement.

Ett annat problem som löses av uppfinningen är att minska lasten eller spänningen på kraftverktyget.

Ytterligare problem som löses av uppfinningen relaterar till ökad ergonomi för operatören.

Ytterliggare problem som löses av uppfinningen är att åstadkomma en regulator för ett kraftverktyg som drar ett fastelement med ett förbestämt åtdragningsmoment samt inom kortast möjliga tid.

Ovan nämnda åstadkommes av en regulator enligt krav l.

Vid användning av kinetisk energi för âtdragning av et fästelement, som åtminstone motsvarar förbandets potentiella energi och genom reglering av motorströmmen så att den förutbestämda energin uppnås, minimeras belastningen på verktyget.

Ytterliggare ett resultat av ovan nämnda är att tiden för att uppnå det förutbestämda åtdragningsmomentet minimeras, genom beräkning av utsignalen som baseras på produkten av vridmoment utövat av kraftverktyget på fästelementet och vinkeln för att skruva fästelementet om sin axel, för att fästa fästelementet till underlaget, genom att acceptera större last på kraftverktyget.

Motorn behöver bromsas eller accelereras för att uppnå en potentiell målenergi i förbandet. Ett resultat av detta är att tiden, för att uppnå ett förut bestämd åtdragningsmoment, minimeras samtidigt som även lasten på verktyget också minimeras.

På grund att det inte förekommer någon kompensation för överbelastning eller avvikelser från det förutbestämda åtdragningsmomentet, optimeras energiåtgången så att ingen onödig energi går förlorad. Resultatet av detta blir att endast en liten del av energin omsätts till värme.

På grund av ett väsentligt lineärt vridmoment uppstår under åtdragning av fästelementet och eftersom den reglerade strömmen som är nödvändig för att bromsa motorn är mjuk och med en låg nivå, kommer accelerationskraftema och vridmomentet på verktyget inte at fluktuera inom ett intervall som är kritiskt för livslängden av verktygets ingående komponenterna, så som växlar.

På grund utav att endast en liten del av den totala energin omvandlas till värme och att även accelerationskrafterna är låga bidrar detta till en bättre ergonomi för operatören som använder verktyget.

Genom låga energiförluster och låg fluktuation i utsignalema från regulatorn uppnås ett förutbestämt åtdragningsrnoment utan större avvikelser. Detta orsakas även genom användning av en regulator som är baserad på en struktur som är mera förutsägbar när det gäller att uppnå ett förutbestämt åtdragningsmoment.

Andra fördelar och egenskaper av denna uppfinning kan härledas från följande detaljerade beskrivning av exemplifierade utföringsforrner av nämnda uppfinning, med referens till figurer.

Fig. 1 visar en schematisk snittvy av ett verktyg för åtdragning av fästelement, varvid verktyget är kopplat till en regulator.

Fig. 2 visar åtdragning av ett fästelement med hjälp av en PID regulator enligt tidigare känd teknik.

Fig. 3 visar åtdragning av ett fastelement med hjälp av en PID regulator enligt tidigare känd teknik.

Fig. 4 Visar ett diagram för åtdragning med hjälp av en regulator i enlighet med uppfinningen Fig. 5 visar även ett diagram för åtdragning av ett fästelement med hjälp av en regulator enligt uppfinningen, och Fig. 6 Visar ett blockdiagram av en regulator enligt uppfinningen.

Fig. 1 visar ett fástelement l, i form av en skruv eller gängad bult som skruvas i ett gängat hål 2 eller i en gängad mutter (inte visad) för att föra samman två eller flera delar 3,4 för att bilda ett styvt förband 5. Fästelementet 1 är kopplat till ett verktyg 6, som t ex ett elektriskt åtdragningsverktyg, som innefattar en elektrisk motor 7 LT! DJ! FHI' Kl LC' FJ och en växel 8. Verktyget 6 är kopplat till en regulator 9, som reglerar verktyget vid åtdragning av fästelementet 1 genom att vrida fästelementet med en vinkel (p kring sin axel 10. I figuren är fästeleinentet l en skruv eller bult försedd med en skalle ll, som i det åtdragna läget är anordnat på en av de två delarna 3, 4.

Fästelementet l kan också vara en gängad mutter som är skruvad på en gängad axel (inte visad). Verktyget 6 kan vara anordnad på en robotarm (inte visad) eller fasthållen av en operatör l2.

I figur 2 visas ett diagram där fästeleinentet 1 är åtdraget med hjälp av en PID regulator enligt tidigare känd teknik. PID regulatorer är välkända för en fackman inom teknikområdet. Kurvan l3 i fig. 2 representerar en typisk åtdragningslast som uppstår när ett fastelement l skruvas kontinuerligt med en vinkel cp kring en axel 10. I vridmoment last kurvan 13 visas en noll last period A med endast där endast ett litet vridmoment är nödvändigt för att skruva dit fastelementet 1. Denna period följs sedan av period B som beskriver processen när skruvskallen pressar mot stycket 3 när elementen 3, 4 bringas mot varandra och där ätdragningsmomentet stiger med ett linjärt förhållande till varandra. Perioden B avslutas när det förutbestämda målmomentet har uppnåtts.

I fig. 2 är vidare strömskurvan 14 visad som iq som funktion av vinkeln (p .

Motorströmmen iq till motorn 7 regleras med hjälp av en sedvanlig PID regulator enligt ström kurvan 14, för att uppnå mälvridmomentet Tmål. I perioden A behövs endast en liten ström iq för att driva motorn 7. Men på grund av masströgheten i motorn måste denna förses med en styrström i perioden B. Enligt fig. 2 används styrströmnien i period B som en bromsström, som har till uppgift att bromsa motorn 7. Styrströinmen eller bromsströmmen som regleras av en PID regulator kan uppvisa fluktuationer, se fig. 2. Dessa fluktuationer samt den höga toppströmmen leder till höga belastningar på verktyget 6, särskilt på växeln 8, som Lil Lu tio :H52 i sin tur leder till kortare livslängd av verktyget i combination med försämrad ergonomi for operatören 12 som jobbar med nämnda verktyg.

Fig. 3 visar vridmomentkurva 15 som inverkar på verktyget 6 vid användning av en känd PID regulator. Så som framgår av fig. 3 fluktuerar belastningen på verktyget kraftigt under B Perioden.

The ovan nämnda nackdelarna relaterade till PID regulatorer reduceras eller elimineras vid en vidareutveckling av PID regulatorn.

Fig. 4 visar ett diagram för åtdragning av ett fästelement med hjälp av en regulator 9 enligt uppfinningen. Fig. 4 visar en typisk moment last kurva 13 som beskrevs i samband med fig. 2.

I fig. 4 visas även rotationshastigheten som funktion av vinkeln period A ökar rotationshastigheten snabbt till en väsentlig konstant varvtal. När man sedan närmar sig period B sjunker rotationshastigheten som ett resultat av ökat moment samt tilldelad bromsström till motorn 7. När ett fórutbestämt mâlvridmoment har uppnåtts stannar motorn 7 och därför är rotationshastigheten (p noll så som visat i fig. 4.

Fig. 4 visar även strömkurvan 14 som funktion av vinkeln cp . För att uppnå målvridmomentet Tmål, regleras strömmen iq, till den elektriska motorn 7 enligt strömkurvan 14 genom att använda regulatom 9 enligt uppfinningen. Så som beskrevs i fig. . 2 behövs endast en liten ström iq för att köra motorn under period A. Pâ grund av masströghet i den elektriska motorn 7 behövs dock en styrström i period B. Enligt en utföringsform som visas i frg. 4 är styrströmmen i period B en bromsström, som har till uppgift att bromsa motorn 7. Bromsströmmen som ut: É-Ll N' "sl LD FHJ regleras av regulatorn enligt uppfinningen följer kurvan 14 så som visas i fig. 4.

Styrströmmen för inbromsning av motor är mjuk och har en låg nivå, vilket innebär att accelerationskrafterna och momentet på verktyget kommer att hålla sig inom gränserna för vad som är tillåtet för livslängden av komponenterna så som växeln 8 i verktyget 6. Ovan nämnda framgår i fig.5 där en vridmoment last kurva 15 visas som verkar på verktyget 6 och är styrd av regulatorn 9. Det som även framgår av fig. 5 är att moment lasten på verktyget fluktuerar mindre under period B när man jämför situationen där en moment last verkar på verktyget men hjälp av en tidigare känd PID regulator.

Enligt utföringsformen som visas i figurema 4 och 5 utgör styrströmmen en bromsström i period B som har till funktion att bromsa motorn 7. Det kan dock förekomma situationer, särskilt när förbandet är flexibelt eller vekt, att styrströmmen används för att öka hastigheten på motorn 7 för att uppnå målvridmomentet Tmäl.

Regulatom 9 enligt föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas i relation till fig. 6, med hjälp av ett block diagram. Till skillnad från kända regulatorer, beräknar regulatorn enligt uppfinningen en utsignal till verktygets 6 motor 7 genom produkten av åtdragningsmoment T och vinkeln (p under åtdragning av ett fástelement. Produkten av åtdragningsmoment T och vinkeln (p blir energin. Man kan minimera tiden för att uppnå målvridmomentet när man använder systemets kinetiska energi och motorströmmen 7 i verktyget i proportion till den kinetiska energin. Även belastningen på verktyget kan minimeras på detta sätt. Till skillnad från kända regulatorer så beräknar regulatorn enligt uppfinningen en utsignal till verktygets 6 motor 7 som är baserad på väsentligen all energibidrag inom systemet.

F32 Enligt fig. 6 beräknar regulatom 9 en ut signal iq från det beräknade steget ibfläkn genom att inkludera samtliga energibidrag inom systemet.

Dessa är den beräknade eller förutbestämda målenergin Emm, den kinetiska rotationsenergin Em: i motorn 7 och i växeln 8, den potentiella förbandsenergin Efórband 5, och operatörs energin Eomnöf 12.

Från ovanstående samt från blockschemat i ñg. 6 framgår att: Efel :Emàl + Eoperatör _ Eförbalid _ Erot Energin Efel till för att bromsa eller accelerera motorn 7 i verktyget 6 och för vilket motorn 7 måste kompensera för att uppnå málmomentet, är enligt fl, summan av de ovan nämnda energi bidragen.

Boman-j, är resultatet av tröghetsmomentet av operatören som använder verktyget men även verktygets egen tröghetsmoment. Operatören kan även använda en aktiv reaktionskrafi. I ett styvt eller hårt förband är Eoperatö, mindre i jämförelse med mera flexibla eller veka förband, detta för att tiden för att klämma förbandet är längre för veka än för styva förband.

El i fig. 6 definierar vinkelhastigheten med vilken operatörens 12 hand och arm men även verktyget 6 vrids runt en axel 10 under åtdragning av ett fastelement 1.

Följande relation definieras: Z cTml-.oz B Emål 2 * kj ( ) Kj är ett uppmätt värde förbandets egenskaper som fås genom tester och som är beroende av förbandets styvhet. KJ- kan även mätas genom att mäta under åtdragningsförloppet. _ T 2 Eförband _ 2 *kj J *wif Em1= 2 (fS) J är motorns 7och växelns 8 masströghet och Ü är vinkelhastighet för motorn.

Era: lq * km * ( Iq är strömmen som regleras till motorn 7, km är en vridmoment konstant i motorn 7, cp mm är en uppskattad vinkel som behövs för att fästa fästelementet l i förbandet. utväxlingsförhållandet för växeln 8 i verktyget 6. Produkten av iq och km ger motorvridmomentet. Relationen (tp må; ~ (p j) * N visar hur stor vinkel som återstår för att uppnå tp mm.

Efel Pågrundutavatt iq= k :k www *N and T= kj* cpi m m j Följande ekvation härleds från formeln ovan .__ Efel lq_~là-íj-~ k *Nqg TmáIFT m .l (f7) T är det verkliga vridmomentet i förbandet. 10 Som ett resultat beräknar regulatorn 9 en utsignal iq, som är beroende av energin för inbromsning av verktygets 6 motor 7.

Gsys i fig. 6 är transfer funktionen för systemet.

The ovan nämnda formlerna kan även tillämpas för nitförband. För nitförband behövs, Elnå; och Efórband ersättas av Emå; och Em, respektive enligt: Emm = (fg) K, är ett mätvärde för förbandet som fås genom testkömingar eller pilot fall och är beroende av förbandets styvhet. Kj kan också fås genom mätning under själva nitningen. Fmàl är en förutbestämd målkraft för ett nitförband.

FZ Em: : 2 * kï (fg) F är den verkliga kraften för nitförbandet F = kr * ö (fl 0) ö avståndet för sammantryckning av niten.

Energin Em för att bromsa nitverktyget är lika med summan av följande energi bidrag; Efel :Emål + Eoperatör '_ Enit _' Erot

Claims (10)

w l Ci! fÜ “ml w Fu' 11 Patentkrav

1. Regulator för ett kraftverktyg (6) för inspänning av ett fästelement (1) för sammanförande av två eller flera delar (3, 4) till ett förband (5), varvid regulatorn (9) reglerar kraftverktyget (6) vid inspänningen av fästelementet (1) så att fästelementet ( I) inspännes till ett förutbestämt målvärde kännetecknad av att, regulatorn (9) är anordnad att beräkna en energibaserad utsignal (iq) till kraftverktyget (6), där nämnda utsignal (iq) motsvarar produkten av kraften (F;T) utövat av kraftverktyget (6) på fastelementet (1) och sträckan (çø ;ö) för inspänning av fästelementet (1), och där utsignalen (iq) används för att reglera verktyget genom att öka eller minska motorns hastighet vid åtdragningen av fästelementet (1) för uppnående av det förutbestämda målvärdet.

2. Regulator enligt krav l, kännetecknad av att fastelementet är en nit.

3. Regulator enligt något av kraven 1-2, kännetecknad av att en bromsenergi (EM) följer följande samband: Efel :Emål + Eoperatör _ Enit “ Erot (fl I)

4. Regulator enligt krav 1, kännetecknad av att det förutbestämda målvärdet är ett åtdragningsmoment (Tum).

5. Regulator enligt krav 4, kännetecknad av att energin (Emål) som är nödvändig för att uppnående av målvridmomentet (Tmåj) är beroende av ett mätvärde (kj) för förbandets styvhet (5), så att nämnda energi (Emål) kompenseras för ett vekt eller styvt förband enligt följande ekvation: (T = ll Emâ :lida g 1 flkj ( l f: '-2 I? 3 .få 12

6. Regulator enligt något av kraven 1, 4-5, kännetecknad av att fórbandets potentiella energi (Efómand) bestäms av åtdragningsmomentet (T) utövat av kraftverktyget (6) på fastelementet (1) och ett mätvärde (kJ) för förbandets styvhet, så att förbandets energi (Efmband) kompenseras för ett vekt eller styvt förband enligt följande ekvation: 2 2*1 Eförband = (f4)

7. Regulator enligt något av kraven l, 4-6, kännetecknad av att den kinetiska energin (Em) i kraftverktyget (6) är beroende av masströgheten och vinkelhastigheten hos motorn (7) och kraftverktygets (6) växel (8) enligt följande ekvation: J* 2 Em= (fs)

8. Regulator enligt något av kraven l, 4-7, kännetecknad av att operatörens kinetiska energi (Eoperatör) (12) är beroende av operatören (12).

9. Regulator enligt något av kraven 4-8, kännetecknad av att en felenergi (EM) följ er följande samband: Efel :Ernål + Eoperarör ” Eforband '_ Erot

10. Regulator enligt krav 9, kännetecknad av att utsignalen (iq) från regulatorn (9) år beroende av en vridmomentkonstant (km) i verktyget (6) motor (7) ett uppskattat värde beroende av förbandets styvhet (kj) och utväxlingen (N) av växeln (8) av kraftverktyget (6) enligt följande ekvation: (f7) 13 l 1. Regulator enligt något av kraven 9-10, kännetecknad áv att fástelementet (1) är en skruv eller gängad bult