CN100469536C - 旋转冲击动力工具 - Google Patents

Abstract

一种冲击动力工具，包括：旋转驱动轴的马达、夹持刀具的输出轴、以及连接到驱动轴的锤件。该锤件可与驱动轴一起旋转，并可与固定到输出轴上的砧件接合，以为输出轴提供旋转冲击。该冲击动力工具包括产生使用者期望的目标速度的速度命令器，和检测驱动轴速度的速度检测器。速度控制器参考目标速度和检测速度而产生用于驱动马达的控制信号。速度控制器设置检测期限，并当在检测期限内未实现速度检测时，采用预定的伪检测速度代替检测速度。因此，即使速度检测未持续、即马达在检测期限内停转，速度控制器也能够利用伪检测速度成功地产生控制信号，由此继续旋转驱动轴，以在不引起延迟的情况下规则且一致地产生冲击。

Description

旋转冲击动力工具

技术领域

本发明涉及一种旋转冲击动力工具，例如冲击螺丝起子、扳手或钻头。

背景技术

冲击工具被广泛使用，以便于利用冲击来钻孔或紧固螺钉或螺母。日本专利公开JP 2005-137134公开了一种典型的冲击工具，其设计为根据触发按钮的操作量改变旋转速度。该冲击工具具有马达和输出轴，该马达驱动装有锤件的驱动轴，该输出轴夹持刀具。锤件与固定到输出轴的砧件接合，以为输出轴、即刀具提供旋转冲击。该工具包括速度命令器，其响应触发按钮的操作量提供表示驱动轴旋转的旋转速度的速度命令。该冲击工具中还包括速度控制器，其产生用于使驱动轴在由速度命令确定的速度下旋转的控制信号，同时监视驱动轴的速度。驱动轴的速度通过检测器检测，该检测器包括设置成与马达的永久磁体转子相邻的磁传感器。控制信号指定将要通过马达控制器提供到马达的马达电压。此外，速度控制器构造成具有负载检测器，其检测作用于驱动轴的负载，并且当检测到的负载大于预定值时，保持驱动轴的速度高于预定的最小速度。此方案用于避免马达在负载较大的情况下基本停转，从而避免监视驱动轴速度失败的错误情况，以获得对刀具的连续冲击。

然而，当驱动轴在相对较低的速度下旋转、同时通过锤件撞击砧件而周期性地产生冲击时，紧接在提供冲击之后，驱动轴的速度暂时被检测为接近于零。因此，在驱动轴开始旋转之前，速度控制器不能产生合适的速度命令，因此引起了响应延迟，甚至于马达的暂时停转，这将导致对刀具的冲击不规则和不一致。

发明内容

鉴于上述问题和不足，本发明旨在提供一种改进的旋转冲击动力工具，即使当驱动轴以低速旋转时，该工具也能够产生规则且一致的冲击。根据本发明的冲击动力工具包括：旋转驱动轴的马达、构造成夹持刀具的输出轴、以及连接到驱动轴的锤件。该锤件可与驱动轴一起旋转，并可与固定到该输出轴上的砧件接合，以在驱动轴旋转时，为输出轴提供旋转冲击。该工具还包括：扳机，由使用者操作以确定速度指示，该速度指示表示与操作量成比例的、驱动轴的期望速度；速度命令器，构造成基于速度指示而产生目标速度；以及速度检测器，构造成检测驱动轴的旋转速度，以提供检测速度。该工具中还包括速度控制器，该速度控制器产生用于驱动马达的控制信号，以使检测速度与目标速度匹配。该速度控制器构造成设置检测期限，并当速度控制器在该检测期限内从速度检测器未接收到检测速度时，采用预定的伪检测速度代替检测速度。该伪检测速度是大于零的最小速度，并根据目标速度而变化。因此，即使速度检测未持续、即马达在检测期限内停转，速度控制器也能够利用伪检测速度成功地产生控制信号，由此继续旋转驱动轴，以在不引起延迟的情况下规则且一致地产生冲击。

优选地，检测期限设置成速度命令的函数。因此，该工具能够在驱动轴或马达的旋转速度的较宽范围内提供上述效果，由此能够根据由速度命令表示的旋转速度，周期性地产生冲击。

该动力工具优选包括负载检测器，用于检测作用于驱动轴上的负载量。就此而论，速度控制器构造成具有分别依据不同速度控制参数的不同控制模式，所述控制参数用以确定控制信号。基于检测到的负载从不同控制模式中选择一种控制模式。因此，该工具能够提高产生控制信号的响应，而与负载量无关，因此，特别是当在大负载条件下旋转速度相对较低时，能够保持规则的冲击。

速度控制器构造成检验控制信号是否表示低于预定最小速度的旋转速度，并在控制信号表示低于最小速度的旋转速度时，将该控制信号修改为表示最小速度。因此，即使当驱动轴以相对较低的速度旋转时，速度控制器也能够在为输出轴提供冲击之后，立即为驱动轴提供足够的旋转力，由此确保保持锤件旋转，以在没有延迟的情况下充分且一致地产生冲击。

另外，速度控制器构造成在每一个预定周期更新控制信号，同时获得当前周期和前一个周期之间由控制信号表示的旋转速度的速度差，并将该速度差限制在预定范围内。因此，特别是在相对较低的速度下，在刚刚产生冲击前和刚刚产生冲击后之间存在相对较大的速度差，也能够抑制改变驱动轴的旋转速度的过度响应，从而确保提供稳定且一致的冲击运动。

此外，速度命令器构造成具有多个起始速度，并根据达到预定值之上的速度指示的变化率，从起始速度中选择一个作为目标速度。因此，通过使用者操作扳机，驱动轴、即输出轴能够以期望的速率达到目标速度。

在优选的实施例中，速度控制器与逆变器和PWM(脉宽调制器)一起集成到电源电路。逆变器构造成提供变化的输出功率，以使所述马达以变化的速度旋转。PWM构造成将PWM信号提供给逆变器，以与输入到PWM的变化的电压命令成比例地改变逆变器的输出功率。在这种情况下，速度控制器以电压命令的形式产生控制信号，该电压命令被处理为提供最小速度并限制速度差。

从结合附图对优选实施例的如下描述中，本发明的这些和其它有益特征将变得更明显。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施例的旋转冲击动力工具的正视图；

图2是上述动力工具的主要部分的剖视图；

图3是结合在动力工具中的冲击驱动单元的透视图；

图4A至图4C是说明冲击产生操作的示意图；

图5A至图5C也是说明冲击产生操作的示意图；

图6是上述动力工具的电路图；

图7是结合在上述动力工具中的驱动电路的方框图；

图8是说明动力工具的冲击操作的曲线图；

图9和图10是说明分别在基于检测到的负载进行和不进行速度控制的情况下动力工具的冲击操作的曲线图；

图11是说明动力工具的速度控制操作的曲线图；

图12和图13是说明动力工具的启动操作的曲线图；以及

图14是说明动力工具的操作顺序的流程图。

具体实施方式

下面参考图1至图3，在此示出根据本发明优选实施例的旋转冲击动力工具。该动力工具的壳体具有主体1和手柄2。主体1中容纳冲击驱动单元100，冲击驱动单元100包括无刷三相马达10、带驱动轴22的减速齿轮20以及输出轴40，该输出轴40适于夹持诸如螺丝起子、钻头或扳手等的刀具(未示出)。输出轴40被可旋转地夹持于主体1的前端内，并在其前端装有用于安装刀具的卡盘44。马达10具有装有永久磁体的转子和包括三相绕组的定子。转子连接到减速齿轮20，以使驱动轴22以降低的速度旋转。电池组3可分离地连接到手柄2的下端，以给马达10提供电力。

锤件30通过凸轮机构连接到驱动轴22的前端，该凸轮机构允许锤件30可与驱动轴22一起旋转，还可抵抗螺旋弹簧24的偏移(bias)沿驱动轴的轴线移动。输出轴40在其后端形成有砧件42，砧件42可与锤件30接合以接收旋转冲击，该旋转冲击被传递给刀具，以便于利用冲击进行紧固或钻孔。

通常，锤件30保持与砧件42接合，以使得输出轴40与驱动轴22一起旋转，直到输出轴40遇到阻碍驱动轴22或马达10继续旋转的相当大的阻力为止。在此情况下，使锤件30沿轴向向后退以暂时从砧件44脱离，并允许相对于砧件旋转，为输出轴40提供冲击，如下所述。

凸轮机构包括球54，球54被部分夹持于锤件30的轴向凹槽34中，并且部分夹持于驱动轴22的倾斜凹槽34中，使得锤件30通常被夹持在其最靠前的位置以与砧件42接合。在锤件30压紧砧件42时，当旋转驱动轴22沿轴向向后拖动球54时，使锤件30抵抗弹簧24的偏移暂时沿轴向向后移动，从而允许相对于砧件42旋转。通过此设置，经过图4A至图4C和图5A至图5C所示的顺序，锤件30产生并施加旋转冲击至输出轴40，即旋转冲击刀具。

锤件30具有一对沿直径相对的撞击件35，其在锤件30相对于静止的砧件42旋转之后，撞击形成于砧件42上的一对臂45，如图4A和图5A所示，由此产生旋转冲击并接下来强迫砧件42旋转角度φ，如图4B和图5B所示。此后，由于凸轮机构使撞击件35位于臂45之上，因此锤件30保持旋转，如图4C和图5C所示。随着通过马达10驱动锤件30旋转，上述顺序反复进行，以经过输出轴40将旋转冲击循环地施加至刀具。

图6说明了电源电路70，其构造成给马达10提供变化的电力，以通过使用者操作手柄2上的开关按钮来以期望的变化速度旋转马达。开关按钮连接到扳机(trigger)60，扳机60设置有速度指示(SI)，该速度指示表示与开关按钮的操作量或压低量成比例的驱动轴22的期望速度。电源电路70包括逆变器80，而逆变器80包括：三对串联的晶体管Q1至Q6，每一晶体管连接经过(across)直流电压源DC；以及驱动器84，其响应来自马达控制器100的驱动脉冲而以变化的占空比导通和截止晶体管，以改变马达10的旋转速度。

如图7所示，马达控制器100包括速度命令器110、速度控制器120、马达速度检测器130、脉宽调制器(PWM)140和负载检测器150。速度命令器110连接为：从扳机60接收速度指示(SI)，而将使用者期望的目标速度(ST)提供至速度控制器120。马达速度检测器130连接为：从位置检测器90接收表示转子12位置的位置信号(PS)，以计算当前的马达速度，并将马达的检测速度(SD)提供至速度控制器120。位置检测器90构造成包括三个磁极传感器91至93，用于检测装在转子12上的永久磁体的角位置，以产生位置信号(PS)。速度控制器120构造成：通过使检测速度(SD)相比于目标速度(ST)的速度偏离最小化，对马达10、即驱动轴22的速度进行比例积分(PI)控制，并产生和输出电压命令(Vcmd)形式的控制信号至PWM 140，PWM 140作出响应，而将PWM驱动信号Dp提供给逆变器80的驱动器84，以使马达10以目标速度旋转。为此目的，速度控制器120在每一预定周期(t)产生电压命令(Vcmd)，其由下面的公式确定：

$\mathrm{Vcmd}\left(t\right)=\mathrm{Kp}[e\left(t\right)+\frac{1}{T}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}]$

其中：Kp是比例部分；T是积分时间；及e(t)是瞬时目标速度(ST)和瞬时检测速度(SD)之间的速度偏离。

负载检测器150构造成检测施加到马达10、即驱动轴22上的负载量，其作为来自刀具或输出轴的反作用。基于流经逆变器80并由电流监视器82监视的电流(Iinv)计算负载。负载检测器150计算连续监视的电流(Iinv)的平均值，以将平均负载电流Iavg提供给速度控制器120及速度命令器110。速度控制器120构造成：通过根据平均负载电流(Iavg)和目标速度(ST)、从关于上述公式的不同速度控制参数组中选择一个，参考平均负载电流(Iavg)调节电压命令(Vcmd)，如下表1所示。

        表1

速度控制器120被编程为具有用于与平均负载电流(Iavg)比较的三个阈值(Ith1<Ith2<Ith3)。从上述公式中可以明显看出，电压命令Vcmd随着比例部分Kp的增加而变大，并随着积分时间T的减少而变大。

就此而论，需要注意的是，在工具操作过程中，带有冲击的操作与不带有冲击的操作相比，平均负载电流Iavg变得更大，如图8所示。例如，当紧固螺钉时，输出轴40由于保持与驱动轴22稳定接合，从而在没有冲击的情况下旋转，以在一定程度上推进螺钉，其间仅可见小负载电流Iavg。当输出轴40由于阻力增加而被压紧时，锤件30开始提供冲击，以进一步紧固该螺钉。在冲击开始之后，随着瞬时负载电流(Iinv)反复快速增加和降低，平均负载电流(Iavg)增加。这持续进行直到完成工具操作，如图所示。

在充分考虑由平均负载电流(Iavg)表示的负载条件时，速度控制器120构造成：在周期性地提供冲击的同时，使马达10加速以达到目标速度，由此缩短停滞时间，在该停滞时间中，由于紧接在锤件30撞击砧件42之后且在锤件30位于砧件42之上之前，马达10暂时停转，从而不能进行速度检测。因此，可以规则地并与使用者期望的马达速度一致地产生冲击，如图所示，图中显示出在每次进行冲击之后，检测速度快速降低。

为此目的，在进行第一次冲击之前，即平均负载电流Iavg在时间t1超过预定阈值Ith1之前，速度控制器120依据第一速度参数组Kp1和T1，如图8所示。紧接在时间t1之后，在时间t2进行第一次冲击。一旦平均负载电流Iavg超过Ith1，速度控制器120选择使马达10加速达到目标速度、即速度控制响应的第二速度参数组Kp2和T2，而不是标准速度参数组，由此缩短了停滞时间D，正如比较图9和图10可明显看出的，其中图10示出了在不根据负载条件改变速度控制参数时马达的检测速度。因此，如图9所示，能够以规则的间隔(T)产生冲击。在将工具从螺钉释放后或在时间t3降低目标速度之后，平均负载电流(Iavg)降低到阈值Ith1之下，使得速度控制器120选择第三速度参数组，以降低速度响应。

如表1列出的，提供了不同的速度控制参数组，并且还根据目标速度(ST)选择不同的一个速度控制参数组。积分时间T设置成随着目标速度(ST)增加而变短。

此外，为了进行一致的速度控制，速度控制器120构造成保存伪检测速度，当经过预定检测期限(DT)不能得到检测速度(SD)时，该伪检测速度用于替代检测速度(SD)。伪检测速度设置成大于零的最小速度，并限定为目标速度(ST)的函数。此外，检测期限(DT)设置成目标速度(ST)、即电压命令(Vcmd)的函数。通过此设置，即使由于紧接在产生冲击之后马达停转，使得短时间内不能从马达速度检测器130得到检测速度，速度控制器120仍然能够通过使用最小检测速度，产生有效的电压命令(Vcmd)，因此降低了马达再次达到目标速度的延迟，从而确保规则地并与期望的目标速度一致地产生冲击。这特别有利于低速下的工具操作，否则在低速下进行工具操作时，此延迟将会使冲击周期产生相当大的波动。此外，由于检测期限设置成作为目标速度(ST)的函数而变化，因此在充分考虑目标速度时，可以将上述延迟最小化，以在较宽范围的目标速度下，确保一致的冲击操作。

就此而论，速度控制器120还构造成检验控制信号、即电压命令Vcmd是否表示低于预定最小速度的旋转速度，并在电压命令Vcmd表示低于最小速度的旋转速度(Vcmd<Vmin)的情况下，修改电压控制命令Vcmd，以使其表示最小速度，即相应的最小电压Vmin。当驱动轴或马达10以相对较低的速度旋转时，在锤件30产生冲击后，检测速度会降低到接近于零。在缺少修改电压命令Vcmd的上述方案的情况下，产生的电压命令Vcmd可能会降低到使得锤件30或驱动轴22失去其旋转速度的程度，而不能在接下来的周期中提供期望的冲击或在期望的时刻产生冲击。在本实施例克服了这一不足，使得在将冲击提供至输出轴40之后，速度控制器120能够立即为驱动轴提供足够的旋转力，由此确保保持锤件30相对砧件42旋转，以在没有延迟的情况下产生足够的冲击。最小速度可以是固定的，而与目标速度(ST)和负载条件无关；或者可设置成根据目标速度(ST)和平均负载电流而变化，如下表2所示。

       表2

如图11所示，速度控制器120构造成在每一个周期更新电压命令Vcmd，该周期由提供到速度控制器120的时钟信号所限定。在每一周期中，速度控制器120计算电压差，即当前周期和前一个周期的电压命令Vcmd之间的速度差，并将电压差(速度差)限制在预定范围内。例如，在当前电压命令Vcmd(图中用白点表示)比前一个电压命令超出至大于预定极限值(ΔV₁)的程度时，见t6、t7、t9、t10时刻，速度控制器120限定当前电压命令为前一个电压命令加上极限值ΔV₁(当前Vcmd＝前一个Vcmd+ΔV₁)。同样，在当前电压命令Vcmd低于前一个电压命令至大于预定极限值(ΔV₂)的程度时，见t28时刻，将当前电压命令Vcmd限定为前一个电压命令Vcmd减去极限值ΔV₂(当前Vcmd＝前一个Vcmd-ΔV₂)。此设置能够抑制改变驱动轴的旋转速度的过度响应，从而确保稳定且一致的冲击运动。此处应当注意的是电压命令Vcmd可以仅沿增加电压命令的方向限定。

此外，速度命令器110构造成以目标电压的形式提供目标速度(ST)，并具有多个起始电压(Vst1、Vst2)，其中之一选作启动马达10时的目标电压。根据达到零速度电压(Vst)之上的、也以电压形式设置的速度指示(SI)的速率(rate)进行起始电压的选择，该零速度电压(Vst)表示马达10的零速度。也就是说，当速度指示电压首次大于零速度电压(Vsi)时，将其与预定阈值(Vth)比较。当发现速度指示电压大于阈值时，考虑到使用者打算逐渐增加速度，速度命令器110选择第一起始电压(Vst1)作为目标电压，如图12所示。因此，速度控制器120产生并提供电压命令Vcmd(＝目标电压Vst1)至FWM 140以启动马达10。否则，考虑到使用者打算快速增加速度，速度命令器110选择第二起始电压(Vst2)作为目标电压，如图13所示。此处应当注意的是，由于根据作用在马达上的负载的变化而修改电压命令(Vcmd)，因此电压命令(Vcmd)跟随速度指示(SI)，如上所述。

动力工具的上述操作可概括成图14的流程图。首先，在步骤1，速度命令器110基于扳机60的速度指示(SI)确定目标速度(ST)。然后，在步骤2，速度控制器120比较目标速度(ST)和预定阈值(ST1和ST2)，之后在步骤3A至3C，将平均负载电流(Iavg)分别与阈值(Ith1、Ith2、Ith3)比较。在步骤4A至4F，根据比较结果，速度控制器120确定速度控制参数组(Kp1，T1)、(Kp2，T2)、(Kp3，T3)、(Kp4，T4)、(Kp5，T5)、(Kp6，T6)之一，之后在步骤5A至5F，速度控制器120根据后面将参考的比较结果设置最小电压(Vmin1至Vmin6)。之后，在步骤6A至6C，速度控制器120检验检测期限DT1、DT2、DT3是否已经过去，所述期限是分别作为目标速度的函数而设置的。如果检测期限已经过去却没有从马达速度检测器130接收到检测速度(SD)，则在步骤7A至7C速度控制器120依据伪检测电压代替检测电压(SD)，以在步骤8计算电压命令(Vcmd)，以便进行马达的PI控制。如果检测期限没有过去，则该顺序直接进行至步骤8以计算电压命令(Vcmd)。

每次更新电压命令(Vcmd)时，在步骤9比较当前电压命令与前一个电压命令，以限定当前电压命令，使得在马达速度增加时，当前电压命令(Vcmd)＝前一个电压命令(Vcmd)+ΔV1，而在马达速度降低时，当前电压命令(Vcmd)＝前一个电压命令(Vcmd)-ΔV2。在接下来的步骤10，确认更新的电压命令(Vcmd)是否低于在步骤5A至5F中获得的预定最小电压。如果发现当前的电压命令(Vcmd)小于最小电压，则在步骤11将其设定为最小电压。否则，采用当前的电压命令。最后，由此确定和确认的电压命令(Vcmd)在步骤12被提供到PWM 140，用于使马达在目标速度(ST)下旋转。上述循环反复进行，以在工具操作中控制马达。

Claims (9)

1、一种旋转冲击动力工具，包括：

马达(10)；

驱动轴(22)，构造成由所述马达驱动；

输出轴(40)，构造成夹持刀具，所述输出轴设置有砧件；

锤件(30)，连接到所述驱动轴，以能够与所述驱动轴一起旋转，所述锤件构造成能够与所述砧件接合，以在所述驱动轴旋转时，为所述输出轴提供旋转冲击；

扳机(60)，构造成由使用者操作以提供速度指示，该速度指示表示与所述扳机的操作量成比例的、所述驱动轴的期望速度；

速度命令器(110)，构造成基于所述速度指示而产生目标速度；

速度检测器(130)，构造成检测所述驱动轴的旋转速度，以提供检测速度；

速度控制器(120)，构造成产生驱动所述马达的控制信号，以使所述检测速度与所述目标速度匹配；

其中：

所述速度控制器构造成设置检测期限，并当所述速度控制器在所述检测期限内从所述速度检测器未接收到检测速度时，使用预定的伪检测速度代替所述检测速度，所述伪检测速度是大于零的最小速度并设置成根据该目标速度而变化。

2、如权利要求1所述的旋转冲击动力工具，其中，所述检测期限设置成所述目标速度的函数。

3、如权利要求1所述的旋转冲击动力工具，其中还包括负载检测器(150)，该负载检测器构造成检测作用于所述驱动轴上的负载；

所述速度控制器构造成：具有分别依据不同速度控制参数的不同控制模式，其中所述控制参数用以确定所述控制信号；并且基于检测到的负载从所述不同控制模式中选择一种控制模式。

4、如权利要求1所述的旋转冲击动力工具，其中，所述速度控制器构造成检验所述控制信号是否表示低于预定最小速度的旋转速度，并在所述控制信号表示低于所述预定最小速度的旋转速度时，将所述控制信号修改为表示所述预定最小速度。

5、如权利要求1所述的旋转冲击动力工具，其中，所述速度控制器构造成在每一预定周期更新所述控制信号，以获得当前周期和前一个周期之间由所述控制信号表示的旋转速度的速度差，并构造成将该速度差限制在预定范围内。

6、如权利要求1所述的旋转冲击动力工具，其中，所述速度命令器构造成具有多个起始速度，并根据达到预定值之上的所述速度指示的变化率，从所述起始速度中选择一个作为所述目标速度。

7、如权利要求4所述的旋转冲击动力工具，其中包括电源电路(70)，该电源电路包括：

逆变器(80)，构造成提供变化的输出功率，以使所述马达以变化的速度旋转；以及

马达控制器(100)，设有所述速度控制器和脉宽调制器(140)，该脉宽调制器构造成将脉宽调制信号提供给所述逆变器，以与输入到所述脉宽调制器的变化的电压命令成比例地改变所述输出功率；

所述速度控制器构造成以所述电压命令的形式提供所述控制信号；

所述速度控制器构造成检验所述电压命令是否低于预定的最小电压，并将所述电压命令修改为所述最小电压。

8、如权利要求5所述的旋转冲击动力工具，其中包括电源电路(70)，该电源电路包括：

逆变器(80)，构造成提供变化的输出功率，以使所述马达以变化的速度旋转；以及

马达控制器(100)，设有所述速度控制器和脉宽调制器(140)，该脉宽调制器构造成将脉宽调制信号提供给所述逆变器，以与输入到所述脉宽调制器的变化的电压命令成比例地改变所述输出功率；

所述速度控制器构造成以所述电压命令的形式提供所述控制信号；

所述速度控制器构造成在每一预定周期更新所述电压命令，以获得下一个周期和当前周期之间的所述电压命令的电压差，并构造成将该电压差限制在预定范围内。

9、如权利要求6所述的旋转冲击动力工具，其中包括电源电路，该电源电路包括：

逆变器(80)，构造成提供变化的输出功率，以使所述马达以变化的速度旋转；以及

马达控制器(100)，设有所述速度控制器和脉宽调制器(140)，该脉宽调制器构造成将脉宽调制信号提供给所述逆变器，以与输入到所述脉宽调制器的变化的电压命令成比例地改变所述输出功率；

所述速度命令器构造成以目标电压的形式提供所述目标速度；

所述速度命令器构造成具有多个起始电压，并根据达到预定值之上的所述速度指示的变化率，从所述起始电压中选择一个作为所述目标电压。

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