用于测量扭矩和角度的系统和方法与流程

本申请要求于2018年4月13日提交的题为“用于测量扭矩和角度的系统和方法(systemandmethodformeasuringtorqueandangle)”的美国临时申请62/657,359的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

本发明一般地涉及适于将扭矩施加到工件的工具。更具体地，本发明涉及具有多轴陀螺仪和扭矩传感器的扭矩施加工具。

背景技术：

扭矩施加工具通常用于汽车和工业应用中，以将期望大小的扭矩施加到工件(例如，螺纹紧固件或螺栓)。例如，扭矩施加过程可能需要将工件紧固到期望的扭矩大小或紧固到期望的扭矩范围内。以期望的扭矩大小固定工件允许牢固地附接部件以及与部件相关的结构，而不存在工件紧固不足或过度紧固的风险。例如，没有施加适当大小的扭矩可能导致工件紧固不足，这可能导致部件的意外脱离。同样地，施加过大的扭矩可能会过度紧固工件，这可能导致工件难以脱离，或者会损坏紧固的部件或工件。为了防止紧固不足或过度紧固，可以在紧固部件(例如螺栓或螺母)的同时进行扭矩测量，以满足目标扭矩大小或施加期望的扭矩范围内的扭矩大小。

技术实现要素：

本发明宽泛地涉及扭矩施加工具，例如电子扭矩螺丝刀，该扭矩施加工具具有多轴陀螺仪(例如3轴陀螺仪或其他类型的陀螺仪)和扭矩传感器，这允许同时或顺序地测量扭矩和围绕工具轴线的角度。扭矩和角度测量的目标可用于创建算法，以检测起步扭矩、残余扭矩，或用于执行防错，以确保紧固特定的紧固件。

在一个实施例中，公开了一种具有手柄和驱动器的工具。该工具可包括：控制壳体，其从驱动器延伸；和控制器，其设置在控制壳体中。控制器可包括：扭矩传感器，其配置为测量由驱动器施加到工件的扭矩大小；以及陀螺仪，其配置为测量驱动器的角位移量。控制器还可以包括处理器和存储器。处理器可以配置为确定来自陀螺仪的驱动器的角位置。该工具还可包括与控制器通信的输入界面和与控制器通信并配置为显示值的显示器。

在另一个实施例中，公开了一种通过工具将扭矩施加到工件的方法。该工具可以具有驱动器、控制器、扭矩传感器、陀螺仪、存储器、输入界面和显示器。该工具可以通过输入界面接收最小期望扭矩值和最大期望扭矩值。还可以通过输入界面接收最小期望旋转角度值和最大期望扭矩值。可以从扭矩传感器接收分别施加到工件的扭矩大小的相应测量值，使得当施加到工件的扭矩大小达到最小扭矩值时，接收旋转角度测量值。可以测量扭矩和旋转角度的大小，直到扭矩大小达到最大扭矩值。可以将测量的旋转角度与最小旋转角度进行比较。

在又一个实施例中，公开了一种测量通过工具施加到工件的扭矩大小的方法。可以通过输入界面接收最小期望扭矩值和最大期望扭矩值。还可以通过输入界面接收最小期望旋转角度值和最大期望旋转角度值。可以从扭矩传感器接收分别施加到工件的扭矩大小的相应测量值，并且可以根据从陀螺仪接收的旋转测量值确定旋转角度测量值。施加到工件的扭矩的相应大小和相应的旋转角度测量值可以记录在存储器中，直到达到目标值。目标值可包括最小扭矩值、最大扭矩值、最小旋转角度值和最大旋转角度值中的至少一个。此外，可以在达到目标值时激活指示。

附图说明

为了便于理解寻求保护的主题，在附图中示出了其实施例，通过审阅在附图中示出的实施例，并结合以下描述考虑寻求保护的主题，其构造和操作以及许多优点应该很容易被理解和领会。

图1是根据本发明的实施例的扭矩施加工具的透视图。

图2和图3是根据本发明的实施例的图1所示的扭矩施加工具的第一侧视图和第二侧视图。

图4是示例性框图，概念化地示出了根据本发明的实施例的图1所示的扭矩施加工具的示例性部件。

图5示出了根据本发明的实施例的扭矩测量的曲线图。

图6示出了根据本发明的实施例的残余扭矩测量的曲线图。

图7示出了根据本发明的实施例的起步/残余扭矩测量的曲线图。

图8是另一示例性过程流程图，示出了根据本发明的实施例的测量扭矩和角度的操作。

具体实施方式

虽然本发明容许以多种不同形式的实施例，但是在附图中示出并且将在本文中详细描述的本发明的实施例应作如下理解，即本公开被认为是本发明的原理性示例，并且不旨在将本发明的广泛方面限制于所示实施例。如本文所使用的，术语“本发明”不旨在限制本发明的权利要求范围，而是仅为了解释的目的而用于讨论本发明的示例性实施例。

本发明宽泛地涉及扭矩施加工具，例如电子扭矩螺丝刀，该扭矩施加工具具有多轴陀螺仪(例如，3轴陀螺仪或其他类型的陀螺仪)和扭矩传感器，这允许同时或顺序地测量扭矩和围绕工具轴线的角度。扭矩和角度测量的目标可用于创建算法，以检测起步扭矩、残余扭矩，或用于执行防错，以确保紧固件被紧固。

例如，扭矩施加操作可以包括将最小目标扭矩大小施加到工件或紧固件。未旋转最小角度大小的工件可以指示工件已经被紧固或者可能是螺纹错扣的。它还可以指示施加的扭矩大小不足以克服紧固件摩擦，以及没有获得适当的扭矩。超过最大角度的工件可以指示由于应力、塑性变形或机械故障(例如，滑牙的螺纹)使得紧固件屈服。

还公开了用于将扭矩测量与陀螺仪组合以测量工具中的旋转角度的方法和系统。例如，在同时监测旋转角度大小的同时可以将目标扭矩大小施加到工件。此外，提供了用于锁定型工件的有效扭矩(prevailingtorque)的测量和补偿，以及测量预紧工件的起步和残余扭矩。

参考图1至图3，其中示出了扭矩施加工具100，例如螺丝刀。应当理解，螺丝刀工具仅用于示例目的，并且本发明并不限于螺丝刀工具，而是可以广泛地应用于任何类型的扭矩施加工具。工具100包括主体部分102(也称为主体102)、联接到主体102的头部部分104(也称为头部104)、设置在头部104和主体102之间的照明指示器106、以及从头部104延伸的驱动器108。工具100适于通过转接器、批头(bit)(例如扁平头、十字槽头(philips)、梅花头(torx)、艾伦头(allen)或其他类型的批头)或连接到驱动器108(例如，适于接合工件的双向棘轮方形驱动器或内六角驱动器)的插槽将扭矩施加到工件。如图所示，驱动器108是设计为接收公配对件的“母”连接器110。然而，驱动器108可以是设计为置入或穿入母配对件的“公”连接器。驱动器还可以构造为直接接合工件，而不联接到转接器、批头或插槽。

主体102还可以用作手柄，并且由用户抓握，以将扭矩施加到工件。因此，主体102可包括具有纹路的手柄112，以在扭转施加操作期间改善用户对工具100的抓握。尽管手柄112示出为沿着主体102的长度定位，但是手柄112可以定位在围绕主体102的其他位置。主体102还可以容纳工具100的控制单元114。控制单元114可以包括用户界面，例如包括至少一个按钮116和显示屏118的用户界面。用户可以使用用户界面输入指令、修改工具100的设置或者与呈现在显示屏118上的菜单交互。例如，用户输入界面可以被配置为允许用户将信息、数据和/或命令输入到工具100中。举例来说，用户输入界面可以包括键盘、鼠标、触摸屏、录音机、音频发射器、构件板(memberpad)或允许用户输入信息的其他设备。如图1中示例性地示出的，在一个实施例中，用户输入界面可以包括按钮116，例如电源按钮、上/下控制按钮、“输入”键、“单元”键和其他按钮。在一个示例中，按钮允许用户输入扭矩设定。

显示屏118可以显示各种信息供用户查看和理解，例如，文本或图形、或输入到用户输入界面的信息。举例来说，显示屏118可包括液晶显示器(lcd)、有机发光二极管(oled)显示器、等离子屏幕或允许用户查看和理解信息的其他种类的黑白或彩色显示器。可选地，显示屏118可以是触敏的，其中软件或固件由控制单元114的处理器或控制器执行，以提供虚拟屏上控制。通过用户界面可以将指令和其他信息直接输入到工具100中。在扭矩施加操作期间或工具的使用期间，显示器118可以显示信息，例如扭矩和/或角度信息。

如下面将讨论的，主体102和/或头部104还可以容纳一个或多个传感器，一个或多个传感器用于测量通过驱动器108施加到工件的扭矩大小和通过驱动器108施加到工件的旋转角度的大小。工具100还可以包括方向传感器，以确定主体102的纵向轴线相对于“向下”(即，相对于重力)的角度。

如下面将讨论的，在扭矩施加操作期间，工具100可以实时测量、记录和显示扭矩和角度数据，以及将该数据实时传输到外部设备(例如，外部计算设备、移动设备等)。在本申请的上下文中，“实时”意味着“没有显著的延迟”(例如，测量和处理延迟不超过一秒每数据样本)。扭矩应用和角度数据可以由工具100和/或外部设备上的软件应用程序记录并与时间索引一起存储。

照明指示器106可包括一个或多个照明指示器120，例如一个或多个发光二极管(led)。在一个实施例中，led是彩色led。多个指示器120在头部104和主体102之间等间距地360度地围绕工具100的纵向轴线。这允许一个或多个指示器120在扭矩施加操作期间对用户可见。例如，在扭矩施加操作期间，用户可以抓握主体102，且用户的手可能遮挡显示屏118。然而，由于位于头部104和主体102之间的照明指示器106靠近头部104，因此照明指示器106保持不被用户的手遮挡。在一些实施例中，照明指示器106可以成角度地设置或定向为面向朝向主体102的后部(即，远离驱动器108)的方向，从而朝向用户。

在示例中，指示器120可以是彩色led。在这方面，指示器120可包括：第一指示器，其适于发出黄色的光；第二指示器，其适于发出绿色的光；以及第三指示器，其适于发出红色的光。应当理解，也可以使用不同颜色的指示器。

不同颜色的第一指示器、第二指示器和第三指示器用于向用户指示：所施加的扭矩和/或角位移的大小正接近目标扭矩和/或角度值；已达到目标扭矩和/或角度值；以及何时目标扭矩和/或角度值的上限已经被超过。如上所述，照明指示器106(包括指示器120)靠近工具100的头部104，因此当使用工具100时，指示器120不会被用户的手遮挡。指示器120也设置成环形图案，允许在工具100的旋转和/或使用期间360度地观察。

指示器120将施加的扭矩和/或角度的大小指示为目标扭矩和/或角度值的百分比。例如，第一指示器用于指示施加的扭矩和/或角度的增加的大小。第二指示器用于指示何时施加的扭矩和/或角度的大小达到目标扭矩和/或角度值。第三指示器用于指示何时施加的扭矩和/或角度的大小超过扭矩和/或角度值的极限。

在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以实施指示朝向目标扭矩和/或角度的进展的其他手段。例如，可以激活听觉指示(使用图4中示出的扬声器/换能器122)，和/或可以激活触觉指示(使用图4中示出的触觉振动器124)。

图4是概念性地示出工具100的示例组件的示例性框图。工具100可以包括一个或多个控制器/处理器126、存储器128、非易失性存储装置130和无线通信收发器132。每个控制器/处理器126都可以包括用于处理数据和计算机可读指令的中央处理单元(cpu)。使用存储器128用于指令和数据的运行时暂时存储，处理器/控制器126经由总线134从数据存储装置130检索指令。存储器128可以包括易失性和/或非易失性随机存取存储器(ram)。虽然部件在图4中示出为经由总线134连接，但是除了(或者代替)经由总线134连接到的其他部件，部件还可以连接到其他部件。

数据存储装置130存储指令，该指令包括执行本文描述的工具100的操作的指令。数据存储装置部件130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)、磁阻式ram(mram)、相变存储器等。工具100还可以包括输入/输出接口，以连接到可移动或外部非易失性存储器和/或存储装置(例如可移动存储卡、存储密钥驱动器、网络存储装置等)。这样的输入/输出接口可以是有线或嵌入式接口(未示出)和/或可以包括无线通信收发器132。

将存储器128用作为运行时的临时“工作”存储装置，用于操作工具100及其各种部件的计算机指令可以由控制器/处理器126来执行。计算机指令可以非暂时性方式存储在非易失性存储器128、存储装置130或外部设备中。可选地，除了软件或代替软件，一些或全部的可执行指令可以被嵌入在硬件或固件中。

工具100可包括多个输入和输出接口。这些接口包括无线电收发器132、一个或多个按钮116、一个或多个发光二极管(led)120、扬声器或音频换能器122、触觉振动器124、一个或多个扭矩传感器136、一个或多个角度传感器138以及方向传感器140。扭矩传感器136可以包括，例如扭矩传感器、应变仪、磁弹式扭矩传感器以及表面声波(saw)传感器中的一种或多种。角度传感器138或其他这样的装置可以配置为在驱动器108转动时测量驱动器108或连接到驱动器108上的驱动轴围绕轴线的旋转速率。在驱动操作中，通过扭矩传感器136检测到扭矩时，可以通过求旋转速率随时间的积分以确定旋转角度。角度传感器138可包括例如旋转角度传感器、电子陀螺仪(例如，两轴或三轴陀螺仪)、加速度计等中的一种或多种。在包括加速度计的情况下，可以通过对旋转加速度求重积分来找到角位置。方向传感器140可包括三轴电子加速度计或重力传感器，以确定工具100的纵向轴线相对于“向下”的方向。

取决于所使用的扭矩传感器136的类型，模数(a/d)转换器142可以从扭矩传感器136接收模拟信号，将数字信号输出到处理器/控制器126。同样地，a/d转换器144可以从角度传感器138接收模拟信号，并且a/d转换器146可以从方向传感器140接收模拟信号，将数字信号输出到处理器/控制器126。a/d转换器142/144/146可以是分立的，可以集成在处理器/控制器118上/内，或者可以集成在它们各自的传感器136/138/140上/内。

a/d转换器142/144/146的数量和需求取决于每个传感器136/138/140所使用的技术。可以提供多个a/d转换器，以根据需要容纳尽可能多的信号，例如角度传感器138是否为多个陀螺仪轴提供模拟输出，或者方位传感器140是否为多个加速度计轴提供模拟输出。信号调节电子器件(未示出)也可以包括在独立电路中，该独立电路集成在处理器/控制器126上/内，或集成在相应的传感器136/138/140上/内，以将由传感器136/138/140部件生成的非线性输出转换成线性信号。

由处理器/控制器126执行的指令从传感器136/138/140接收数据，例如扭矩值和角度值。根据该数据，处理器/控制器126可以确定各种信息，例如已经或应当施加到工件的扭矩的持续时间。

传感器数据和信息可以实时或以预定采样率记录，并存储在存储器128和/或存储装置130中。传感器数据和信息也可以通过通信链路148(其可以包括天线)发送到外部设备，以进行进一步的分析和检查。例如，通信链路148可以使用诸如无线直连(wi-fidirect)的协议，或者使用诸如蓝牙(bluetooth)、bluetoothsmart(也称为低功耗蓝牙)、无线通用串行总线(wirelessusb)或无线个域网(zigbee，ieee802.15)的个域网(pan)协议。通信链路148可以是诸如wi-fi风格的无线局域网(wlan)链路，或者可以是与移动宽带、lte、gsm、cdma、wimax、高速分组接入(highspeedpacketaccess，hspa)、通用移动通信系统(universalmobiletelecommunicationssystem，umts)等相关联的蜂窝通信数据协议。

“数据”是经处理以使其成为有意义或有用的“信息”的值。然而，如本文所使用的，术语数据和信息应该被解释为可互换的，即数据包括信息，且信息包括数据。例如，在存储、发送、接收或输出数据的情况下，该数据可以包括数据、信息或它们的组合。

无线电收发器132包括发射器、接收器和相关的编码器、调制器、解调器和解码器。收发器132管理无线电通信链路，经由嵌入在工具100中的一个或多个天线与外部设备建立通信链路148，从而实现处理器/控制器126与外部设备之间的双向通信。通信链路148可以是工具100和外部设备之间的直接链路，或者可以是通过一个或多个中间部件(例如通过wi-fi路由器或网状连接(未示出))的间接链路。

工具100还包括电源150，以为处理器/控制器126、总线134和其他电子部件供电。例如，电源150可以是布置在主体102中的一个或多个电池。然而，电源150不限于电池，可以使用其他技术，例如燃料电池。工具100还可包括：给电源150再充电的部件，例如沿工具100布置的有机或聚合物光伏电池；和/或接收外部电荷的接口，例如通用串行总线(usb)端口、或电感提取元件；以及相关的充电控制电子设备。

显示器118可以通过由处理器/控制器126执行的软件/固件使用，以显示供用户查看和理解的信息。这些信息可以被格式化为文本、图形或它们的组合。当信息被输入工具100(例如，通过按钮116和/或集成在显示器118本身的触敏界面)时，显示器118还可用于提供反馈。显示器118可以是液晶(lcd)显示器、有机发光二极管(oled)显示器、电子纸显示器、或具有合适的功耗要求和体积以便于集成到工具100中的任何种类的黑白或彩色显示器。

工具100可以配置为用于大致同时测量扭矩和角度目标大小。工具100可配置为具有最小和最大目标扭矩值以及最小和最大目标角度值。当施加扭矩时，工具100可以指示何时达到目标扭矩值。同时，如果在达到最小目标角度值之前达到目标扭矩值，则工具100可以测量角位移并指示扭矩施加操作失败。如果超过最大目标扭矩或角度值中的任何一个，则工具100可以指示操作失败。

此外，工具100还可测量用于锁定型紧固件的有效扭矩，并通过增加有效扭矩值来补偿目标扭矩值，以自动确定最终目标扭矩值。图5示出了示例性有效扭矩测量的曲线图。工具100可配置为具有最小起动有效扭矩值、最大结束有效扭矩值、最小有效角度值和目标扭矩值。

当测量的施加到工件的扭矩大小达到最小有效扭矩值时，则可以开始角度测量。可以测量所施加的扭矩和角度，直到达到最大有效扭矩值。可以将在最小和最大有效扭矩值之间测量的施加到工件的角位移与最小有效角度值进行比较，以确定用于测量有效扭矩值的所需角位移是否已经出现。有效扭矩值可以根据最小和最大有效扭矩值之间的采样扭矩读数的中间区段来计算。可以将有效扭矩值自动添加到目标扭矩值，以确定用于达到目标值的肯定指示的最终扭矩值。工具100可以配置为具有最小和最大扭矩容差以及用于附加检查的最大角度，例如用于报告失败的扭矩循环的在最大有效扭矩点之后的过度扭矩和过度旋转。

工具100还可以测量已经紧固的紧固件的残余扭矩。图6描绘了残余扭矩测量的说明性曲线图。工具100可以配置为用于记录工件开始旋转的扭矩大小。工具100还可以配置为具有在残余扭矩测量开始之前的有最小角度值。

工具100可以配置为用于报告起步扭矩和残余扭矩的差异，其中需要更高的峰值扭矩来克服螺纹锁定或腐蚀。图7中描绘了起步/残余扭矩测量的说明性曲线图。可以将扭矩下降随后上升过程中的拐点值报告为峰值起步扭矩和最小残余扭矩。

参考图8，示出了测量扭矩和旋转角度值的说明性方法200的步骤的流程图。如框202所示，如本文所述的一个或多个输入可被输入到工具100的输入界面中。输入可以包括但不限于目标扭矩值、目标旋转角度值、最小扭矩值、最大扭矩值、最小旋转角度值和最大旋转角度值中的一个或多个。输入可以存储在存储器128和/或存储装置130中(在图4中示出)。如框204所示，如本文所述，可以接收一个或多个测量值当工具100抵靠工件或在工件上操作时，一个或多个传感器可以检测并报告测量值。传感器可以包括：扭矩传感器136，其配置为检测并报告施加到工件的扭矩值；和/或角度传感器138(其可以包括陀螺仪)，其配置为检测并报告驱动器108的角速度。如本文所述，测量值可以存储在存储器128和/或存储装置130中。

如框206所示，可以确定一个或多个旋转角度值或位置。处理器/控制器126可以基于从角度传感器138接收的角速度确定一个或多个旋转角度值。处理器/控制器126也可以是角度传感器138的一部分，通过该角度传感器138可以将旋转角度值从角度传感器138通信到存储器128和/或存储装置130。如本文所述，测量的扭矩大小可以被确定为残余扭矩值、起步扭矩值或两者之间的差异。例如，如框212所示，接收的测量值可以大致与测量值的接收同时显示。以这种方式显示测量值可以允许用户在工具100操作时监控施加到工件的扭矩值(或旋转角度值)。

如框208所示，使用来自角度传感器138的数据确定的旋转角度值可以与一个或多个输入进行比较，以确定工具100是否正确操作。例如，如果输入扭矩值，则工具通过处理器/控制器126可以计算驱动器108的适当的角位置，以完成目标扭矩输入。可以将适当的角位置与实际角位置进行比较。误差或其他指示可以被输出并显示在显示器118(框212)上，以指示测量值或应用值与预期值之间的差异。

测量或施加的扭矩大小还可包括有效扭矩值。如方框210所示且所描述的，有效扭矩值可以自动地添加到目标扭矩值，以确定最终扭矩值，该最终扭矩值用于肯定指示通过工具操作已经获得了适当的扭矩。

如本文所使用的，术语“联接”及其功能等同物不旨在一定限于两个或更多个部件的直接地机械联接。相反，术语“联接”及其功能等同物旨在表示两个或更多个物体、特征、工件和/或环境元素之间的任何直接或间接的机械、电气或化学的连接。在一些示例中，“联接”也意味着一个物体与另一物体是一体的。除非另有特别说明，如在本文中所使用的，术语“一个”或“一种”可以包括一个或多个项。

前述的描述和附图中阐述的内容仅作为说明而不是作为限制。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来说显而易见的是，在不脱离发明人的贡献的更广泛方面的情况下，可以进行改变和修改。当基于现有技术以适当的视角观察时，所寻求的保护的实际范围旨在在以下权利要求中限定。