ИМПУЛЬСНО-СИЛОВАЯ РУЧНАЯ МАШИНА
POWER PULSE HAND-HELD MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в одном его аспекте относится к импульсно-силовой ручной машине с приводом от двигателя и новым ударным механизмом.
Уровень техники
В импульсно-силовой ручной машине двигатель как источник мощности приводит в движение ударно-вращательный механизм для обеспечения вращения наковальни и нанесения по ней ударов, таким образом, прерывисто передавая рабочему инструменту ручной машины энергию вращательных, или тангенциальных, ударов (ударов, наносимых в направлении вращения, т.е. в окружном направлении) для выполнения рабочей операции, такой как заворачивание крепежного элемента (крепежного изделия) с целью образования резьбового соединения. В качестве двигателя таких машин широкое применение нашел бесщеточный электрический двигатель постоянного тока. Бесщеточный электрический двигатель постоянного тока является, например, двигателем постоянного тока без электрических щеток (используемых для коммутации). В таком двигателе со стороны статора используются катушки (обмотки), а со стороны ротора - магниты (постоянные магниты), и вращение ротора происходит в результате последовательной подачи на заданные катушки электрической энергии, выдаваемой инверторной схемой. Инверторная схема построена на полевых транзисторах (ПТ) и высокомощных выходных транзисторах, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, англ. сокр. IGBT), и питается большим током. Бесщеточный электрический двигатель постоянного тока имеет отличные моментные характеристики по сравнению со щеточным электрическим двигателем постоянного тока и способен заворачивать шуруп, саморез, болт и т.д. в материал основы или в ответную резьбу с большей силой.
В публикации JP-2009-072888-A раскрыта импульсно-силовая ручная машина с использованием бесщеточного электрического двигателя постоянного тока. Раскрытая в публикации JP-2009-072888-A импульсно-силовая ручная машина имеет ударный механизм, работающий при непрерывном вращении ротора двигателя. Когда к шпинделю через передаточный механизм (редуктор) прикладывается крутящий момент, ударник, установленный подвижно в направлении вращения вала шпинделя с возможностью его зацепления, вращается и приводит во вращение наковальню, в которую он упирается. Ударник и наковальня имеют по две молотковые выпуклые части (кулачки), которые расположены, соответственно, симметрично друг другу в двух местах в плоскости вращения, причем эти выпуклые части расположены в направлении вращения в местах зацепления зубчатых колес, вращение и сила удара передаются за счет сцепления между выпуклыми частями ударника и наковальни. Ударник установлен по скользящей посадке с возможностью осевого перемещения относительно шпинделя в кольцевой области, окружающей шпиндель, а во внутренней периферийной поверхности ударника имеется V-образная криволинейная канавка в форме перевернутого "V" (практически треугольной формы). В наружной периферийной поверхности шпинделя выполнена V-образная криволинейная канавка, проходящая в осевом направлении, и ударник приводится во вращение посредством шариков (стальных шариков), установленных между криволинейной канавкой шпинделя и внутренней периферийной криволинейной канавкой ударника.
В обычном передаточном механизме шпиндель и ударник удерживаются относительно друг друга шариками, расположенными в криволинейных канавках, а ударник выполнен таким образом, чтобы он мог отводиться от шпинделя назад в осевом направлении под действием пружины, расположенной на его заднем конце. В результате увеличивается количество деталей шпинделя и ударника и требуется высокая точность сопряжения шпинделя с ударником, что приводит к увеличению производственных затрат.
Между тем, в импульсно-силовой ручной машине обычной конструкции для отключения ударного механизма (т.е. для работы в безударном режиме) необходимо иметь, например, механизм для управления отводом ударника от шпинделя. Импульсно-силовая ручная машина по публикации JP-2009-072888-A не может использоваться в так называемом режиме сверления. Далее, даже если режим сверления реализован (предусмотрен управляемый отвод ударника от шпинделя), то для срабатывания механизма защиты за счет прерывания передачи мощности при достижении заданного крутящего момента затяжки необходимо отдельно предусмотреть механизм электронной предохранительной муфты, а реализация в импульсно-силовой ручной машине режима сверления и режима сверления с задействованием электронной предохранительной муфты ведет к увеличению стоимости.
Далее в публикации JP-2009-072888-A подаваемая в двигатель электрическая энергия привода является постоянной вне зависимости от состояния рабочего инструмента в отношении нагрузки на него при нанесении ударов ударником. Соответственно, нанесение ударов при заворачивании крепежного элемента выполняется с высоким моментом даже при легкой нагрузке. В результате в двигатель подается излишняя электрическая энергия, и происходит бесполезное расходование энергии. Кроме того, это чревато так называемым срывом рабочего инструмента с головки крепежного элемента, когда шуруп или саморез при его заворачивании в ударном режиме с высоким моментом углубляется чрезмерно, и рабочий инструмент срывается с головки шурупа или самореза.
Раскрытие изобретения
Одной целью изобретения является создание импульсно-силовой ручной машины с простым ударным механизмом, образованным ударником и наковальней.
Другой целью изобретения является создание импульсно-силовой ручной машины, в которой ударник и наковальня при заворачивании крепежного элемента поворачивались бы относительно друг друга на угол менее 360° за счет разработки соответствующего способа управления двигателем.
Еще одной целью изобретения является создание многорежимной импульсно-силовой ручной машины с возможностью переключения между режимом сверления и ударным режимом и работы в соответствующем режиме.
В соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая: двигатель, редуктор, понижающий частоту вращения ротора двигателя, ударник, соединенный с выходным звеном редуктора, и наковальню, воспринимающую от ударника крутящий момент или силу удара для приведения во вращение рабочего инструмента, причем выходное звено редуктора, ударник и наковальня расположены соосно, ударник имеет один или несколько наборов выступающих частей, выдающихся из основной части корпуса относительно ее окружности или в осевом направлении, и соединительную часть, расположенную по его оси, наковальня имеет один или несколько наборов выступающих частей, выдающихся из основной части корпуса относительно ее окружности или в осевом направлении, и соединительную часть, сопрягающуюся с соединительную частью ударника, причем выступающие части наковальни и/или ударника имеют соударяющиеся поверхности, которые сталкиваются друг с другом, а наковальня и ударник выполнены таким образом, что максимальный угол относительного поворота их выступающих частей больше или равен 60° и меньше 360°.
В соответствии с вариантом 2 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой редуктор представляет собой планетарный механизм, причем выходной вал двигателя соединен с солнечным зубчатым колесом планетарного механизма, а ударник соединен с осями нескольких сателлитов планетарного механизма, фиксируя их взаимное расположение.
В соответствии с вариантом 3 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник и шпиндель (шпиндель-наковальня) изготовлены цельными из металла.
В соответствии с вариантом 4 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой для нанесения ударов по наковальне ударнику сообщается прерывистое движение путем приведения двигателя в действие в направлении нормального вращения и в направлении обратного вращения.
В соответствии с вариантом 5 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник и наковальня выполнены с двумя радиально вытянутыми частями, выступающими из основной части корпуса наружу в радиальном направлении, причем выступающие части выполнены в радиально вытянутых частях.
В соответствии с вариантом 6 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой каждая из радиально вытянутых частей выполнена с двумя выступающими частями, имеющими соударяющиеся поверхности (ударяющие поверхности на ударнике и ударяемые поверхности на наковальне), причем ударяющие поверхности на выступающих частях ударника выполнены таким образом, чтобы одновременно сталкиваться с соответствующими ударяемыми поверхностями на выступающих частях наковальни.
В соответствии с вариантом 7 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой максимальный угол относительного поворота кулачковых, т.е. ударяющихся друг о друга, или выступающих, частей наковальни и ударника составляет 180° и более, но менее 360°.
В соответствии с вариантом 8 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель и состоящий из двух частей ударный механизм, соединенный с двигателем и кинематически связанный с ним с возможностью вращения частей ударного механизма относительно друг друга для нанесения ударов по рабочему инструменту, причем конструкция ударного механизма допускает относительный поворот его частей менее чем на 360°, а приложение силы удара к рабочему инструменту обеспечивается прерывистым приводом двигателя в направлениях нормального и обратного вращения.
В соответствии с вариантом 9 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударный механизм содержит ударник, имеющий ударяющую поверхность, и наковальню, имеющую ударяемую поверхность, причем наковальня изготовлена цельной из металла и имеет гнездо, удерживающее рабочий инструмент.
В соответствии с вариантом 10 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой двигатель и ударник соединены между собой через планетарный редуктор, причем ударник действует в качестве водила, удерживающего несколько сателлитов планетарного редуктора.
В соответствии с вариантом 11 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель, ударник, соединенный с выходным элементом двигателя, и наковальню, ударяемую ударником в направлении вращения, причем ударник имеет возможность поворота на 180° или больший угол для его разгона перед нанесением удара по наковальне.
В соответствии с вариантом 12 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник установлен практически неподвижно в осевом направлении относительно наковальни.
В соответствии с вариантом 13 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель, ударник, соединенный с выходным элементом двигателя, и наковальню, ударяемую ударником в направлении вращения, причем ударник имеет первый одиночный выступ, находящийся в первом угловом (азимутальном) положении на определенном радиальном уровне, наковальня имеет второй одиночный выступ, находящийся во втором угловом положении на определенном радиальном уровне, причем первый одиночный выступ способен наносить удары по второму одиночному выступу.
В соответствии с вариантом 14 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник имеет третий одиночный выступ, находящийся в третьем угловом положении на определенном радиальном уровне, наковальня имеет четвертый одиночный выступ, находящийся в четвертом угловом положении на определенном радиальном уровне, причем третий одиночный выступ способен наносить удары по четвертому одиночному выступу.
В соответствии с вариантом 15 осуществления настоящего изобретения (пункт 1 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель, ударник, соединенный с выходным элементом двигателя, и наковальню, имеющую вал и ударяемую ударником в направлении вращения путем приведения двигателя в действие импульсами, причем наковальня установлена спереди ударника, ударник приводится в движение от двигателя в импульсном режиме, и угол поворота ударника по существу пропорционален углу поворота ротора двигателя.
В соответствии с вариантом 16 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник выполнен с первой выступающей частью, выдающейся из ударника вперед, а наковальня выполнена со второй выступающей частью, выдающейся в радиальном направлении дальше, чем вал.
В соответствии с вариантом 17 осуществления настоящего изобретения (пункт 2 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой двигатель приводит во вращение шестерню, находящуюся в зацеплении с несколькими сателлитами, оси которых установлены в ударнике.
В соответствии с вариантом 18 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник приводится в движение от двигателя в импульсном режиме.
В соответствии с вариантом 19 осуществления настоящего изобретения (пункт 3 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой с наковальней неподвижно соединен держатель рабочего инструмента.
В соответствии с вариантом 20 осуществления настоящего изобретения (пункт 4 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, также имеющая корпус, в котором расположен двигатель, причем ударник имеет сзади цилиндрическую часть, диаметр которой меньше наружного диаметра ударника, и установлен в корпусе с возможностью вращения посредством подшипника, расположенного в указанной цилиндрической части.
В соответствии с вариантом 21 осуществления настоящего изобретения (пункт 5 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник и цилиндрическая часть выполнены за одно целое.
В соответствии с вариантом 22 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель, ударник, приводимый в движение от двигателя в импульсном режиме, наковальню, ударяемую ударником в направлении вращения, и держатель рабочего инструмента, предусмотренный на наковальне.
В соответствии с вариантом 23 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой между двигателем и ударником предусмотрен редуктор.
В соответствии с вариантом 24 осуществления настоящего изобретения (пункт 6 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель, ударник, приводимый в движение от двигателя в импульсном режиме, и наковальню, установленную соосно с ударником с возможностью нанесения ударником ударов по ней в направлении вращения.
В соответствии с вариантом 25 осуществления настоящего изобретения (пункт 7 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой в наковальне сзади выполнена соединительная выемка, а на ударнике спереди выполнена соединительная ось, входящая в соединительную выемку.
В соответствии с вариантом 26 осуществления настоящего изобретения (пункт 8 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель, соединенный с двигателем ударник и наковальню, приводимую во вращение ударником, причем поворот наковальни в направлении нормального вращения обеспечивается путем вращения ударника в направлении нормального вращения и в направлении обратного вращения, и после обратного вращения ударника он приводится в нормальное вращение до столкновения с наковальней.
В соответствии с вариантом 27 осуществления настоящего изобретения (пункт 9 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник соединен с двигателем через редуктор, понижающий частоту вращения ротора двигателя, причем выходное звено редуктора, ударник и наковальня расположены соосно, ударник имеет один или несколько наборов выступающих частей, выдающихся из основной части корпуса радиально наружу или в осевом направлении, и выполненную по оси соединительную часть, наковальня имеет один или несколько наборов выступающих частей, выдающихся из основной части корпуса радиально наружу или в осевом направлении, и соединительную часть, сопрягающуюся с соединительной частью ударника, выступающие части наковальни и/или ударника имеют соударяющиеся поверхности, которые сталкиваются друг с другом, и ударник приводится в нормальное вращение с попеременным соударением ударника и наковальни в обоих направлениях путем приведения двигателя в действие в направлении нормального вращения и в направлении обратного вращения.
В соответствии с вариантом 28 осуществления настоящего изобретения (пункт 10 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой кулачковые части наковальни и ударника способны поворачиваться относительно друг друга на угол, больший или равный 180° и меньший 360°.
В соответствии с вариантом 29 осуществления настоящего изобретения (пункт 11 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой при нанесении ударником удара по наковальне во время обратного вращения ударника частота вращения ротора двигателя меньше, чем при нанесении удара во время нормального вращения.
В соответствии с вариантом 30 осуществления настоящего изобретения (пункт 12 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой при нанесении ударником удара по наковальне во время нормального вращения ударника частота вращения ротора двигателя в два или более раз выше, чем при нанесении удара во время обратного вращения.
В соответствии с вариантом 31 осуществления настоящего изобретения (пункт 13 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой при нанесении ударником удара по наковальне во время обратного вращения ударника момент меньше, чем при нанесении удара во время нормального вращения.
В соответствии с вариантом 32 осуществления настоящего изобретения (пункт 14 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой при нанесении ударником удара по наковальне во время обратного вращения ударника начальное угловое расстояние от ударника до наковальни меньше, чем при нанесении удара во время нормального вращения.
В соответствии с вариантом 33 осуществления настоящего изобретения (пункт 15 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая блок управления, управляющий вращением ротора двигателя по следующей схеме: подача в двигатель тока нормального вращения для ускорения ротора двигателя в направлении нормального вращения, подача в двигатель тока обратного вращения с реверсированием вращения ударника после уменьшения частоты вращения ротора двигателя до первого заданного значения, если ударник столкнулся с наковальней, отключение подаваемого в двигатель тока, если частота обратного вращения ротора двигателя достигла второго заданного значения, столкновение ударника и наковальни друг с другом в направлении обратного вращения и выполняемая после указанного столкновения очередная подача тока нормального вращения для ускорения ротора двигателя в направлении нормального вращения.
В соответствии с вариантом 34 осуществления настоящего изобретения (пункт 16 формулы изобретения) предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой двигатель представляет собой бесщеточный электрический двигатель постоянного тока, управляемый с помощью датчика углового положения, причем частота вращения ротора двигателя вычисляется с использованием выходного сигнала датчика углового положения.
В соответствии с вариантом 35 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель, редуктор, понижающий частоту вращения ротора двигателя, ударник, соединенный с выходным звеном редуктора, наковальню, воспринимающую от ударника крутящий момент или силу удара для приведения во вращение рабочего инструмента, причем выходное звено редуктора, ударник и наковальня расположены соосно, а рабочий инструмент приводится во вращение путем приведения двигателя в действие в направлении нормального вращения и в направлении обратного вращения для удара ударника по наковальне, а также содержащая тормозной механизм, предусмотренный для остановки вращения ударника.
В соответствии с вариантом 36 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой кулачковые части наковальни и ударника поворачиваются относительно друг друга на угол, меньший 360°.
В соответствии с вариантом 37 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой тормозной механизм расположен в осевом направлении между ударником и редуктором.
В соответствии с вариантом 38 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой тормозной механизм включает в себя храповой механизм, колесо которого способно поворачиваться относительно ударника в заданном направлении вращения менее чем на один оборот, и стопорный кулачок (собачку), ограничивающий вращение храпового колеса в заданном направлении.
В соответствии с вариантом 39 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой стопорный кулачок имеет первую собачку, ограничивающую вращение храпового колеса в направлении нормального вращения, и вторую собачку, ограничивающую вращение храпового колеса в направлении обратного вращения, причем тормозной механизм имеет переключатель для приведения в действие первой собачки или второй собачки.
В соответствии с вариантом 40 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой переключатель для приведения в действие первой собачки или второй собачки функционально сопряжен с переключателем направления вращения (хода), который переключает направление вращения ротора двигателя.
В соответствии с вариантом 41 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой храповой механизм содержит храповое колесо, выполненное с зубчатым венцом и дугообразным участком в виде кольца с разрывом.
В соответствии с вариантом 42 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая блок управления, управляющий вращением ротора двигателя по следующей схеме: подача в двигатель тока нормального вращения для ускорения ротора двигателя в направлении нормального вращения, подача в двигатель тока обратного вращения с реверсированием вращения ударника после уменьшения частоты вращения ротора двигателя до первого заданного значения, если ударник столкнулся с наковальней, отключение подаваемого в двигатель тока, если частота обратного вращения ротора двигателя достигла второго заданного значения, и очередная подача тока нормального вращения для ускорения ротора двигателя в направлении нормального вращения, если вращение ударника было остановлено тормозным механизмом.
В соответствии с вариантом 43 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, содержащая двигатель, ударник, приводимый во вращение от двигателя, наковальню, воспринимающую от ударника крутящий момент или силу удара с обеспечением удара ударника по наковальне путем приведения двигателя во вращение, и тормоз, предусмотренный для прекращения или блокирования обратного вращения ударника.
В соответствии с вариантом 44 осуществления изобретения предлагается импульсно-силовая ручная машина, в которой двигатель защищен корпусом, а тормоз удерживается корпусом.
В варианте 1 осуществления изобретения наковальня и ударник выполнены таким образом, что максимальный угол относительного поворота выступающих частей наковальни и ударника больше или равен 60° и меньше 360°, а выполнение ударника не допускает его непрерывного вращения относительно наковальни. Таким образом, изобретение позволяет не использовать кулачковый механизм, механизм отвода в осевом направлении, пружину и иные подобные средства, обычно использовавшиеся в импульсно-силовой ручной машине, и реализовать компактный ударный механизм с меньшей длиной в осевом (продольном) направлении, т.е. направлении "вперед-назад". Поскольку непрерывное вращение ударника и наковальни относительно друг друга невозможно, предлагаемой в изобретении импульсно-силовой ручной машиной можно заворачивать крепежные элементы непрерывно, в режиме сверления, причем изобретение позволяет создать импульсно-силовую ручную машину, способную работать как в режиме сверления, так и в ударном (импульсном) режиме.
В варианте 2 осуществления изобретения, поскольку редуктор представляет собой планетарный механизм, выходной вал двигателя соединен с солнечным зубчатым колесом планетарного механизма, а ударник соединен с осями нескольких сателлитов планетарного механизма, фиксируя их взаимное расположение, это позволяет уменьшить число деталей и уменьшить осевую длину, необходимую для ведущего звена ударного механизма, т.е. ударника.
Поскольку выходной вал редуктора и ударник выполнены за одно целое, это позволяет получить компактную конструкцию ударного механизма.
В варианте 3 осуществления изобретения, поскольку ударник и шпиндель (шпиндель-наковальня) изготовлены цельными из металла, это позволяет реализовать прочный и долговечный ударный механизм. Поскольку ударник и шпиндель имеют сравнительно простые формы, это позволяет сократить производственные затраты.
В варианте 4 осуществления изобретения, поскольку для нанесения ударов по наковальне ударнику сообщается прерывистое движение путем приведения двигателя в действие в направлении нормального вращения и в направлении обратного вращения, функциональность импульсно-силовой ручной машины может быть реализована простым образом, посредством разработки способа управления двигателем.
В варианте 5 осуществления изобретения, поскольку ударник и наковальня выполнены с двумя радиально вытянутыми частями, выступающими из основной части корпуса наружу в радиальном направлении, и выступающие части выполнены в радиально вытянутых частях, выступающие части ударника и наковальни легко изготавливать формованием заодно с основной частью корпуса. Использование радиально вытянутых частей позволяет уменьшить диаметр основной части корпуса, а значит, уменьшить вес ударника и наковальни.
В варианте 6 осуществления изобретения каждая из радиально вытянутых частей выполнена с двумя выступающими частями, имеющими соударяющиеся поверхности, причем ударяющие поверхности на выступающих частях ударника одновременно сталкиваются с соответствующими ударяемыми поверхностями на выступающих частях наковальни. Таким образом, если соударяющиеся поверхности расположены осесимметрично друг другу, это ведет к уменьшению разброса значений момента, прикладываемого к наковальне при ударах по ней, к уменьшению вибраций или реакций, передаваемых на импульсно-силовую ручную машину во время работы в ударном режиме, что позволяет создать удобную и легкую в работе импульсно-силовую ручную машину.
В варианте 7 осуществления изобретения, поскольку кулачковые (выступающие) части наковальни и ударника могут поворачиваться относительно друг друга на максимальный угол, составляющий 180° и более, но менее 360°, это, наряду с передаточным числом редуктора, обеспечивает достаточный угол поворота ротора двигателя при его реверсировании и обратном вращении, благодаря чему удары по наковальне наносятся с высоким моментом.
В варианте 8 осуществления изобретения, поскольку ударный механизм образован двумя ударными элементами, благодаря прерывистому приведению ротора двигателя в нормальное вращение и обратное вращение, реализуется простая и недорогая импульсно-силовая ручная машина.
В варианте 9 осуществления изобретения, поскольку ударный механизм содержит ударник, имеющий ударяющую поверхность, и наковальню, имеющую ударяемую поверхность, а наковальня изготовлена цельной из металла, можно получить импульсно-силовую ручную машину с отличной прочностью и высокой долговечностью.
В варианте 10 осуществления изобретения, поскольку двигатель и ударник соединены между собой через планетарный редуктор, а ударник также действует в качестве водила, удерживающего несколько сателлитов планетарного редуктора, изобретение позволяет сократить число деталей.
В варианте 11 осуществления изобретения, поскольку ударник способен повернуться относительно наковальни на угол 180° или более, составляющий путь разгона (участок ускорения) ударника, прежде, чем он ударит по наковальне, достигается более эффективное нанесение ударов ударником по наковальне.
В варианте 12 осуществления изобретения, поскольку ударник установлен практически неподвижно в осевом направлении относительно наковальни, на рабочий инструмент не передается осевое ударное усилие удара, и даже при заворачивании в дерево шурупа, самореза или иного подобного крепежного элемент повреждение головки шурупа исключается. Кроме того, в наковальне маловероятно образование выемок.
В варианте 13 осуществления изобретения, поскольку период ускорения ударника достаточно велик и соответствует угловому расстоянию до 360°, составляющему путь разгона (участок ускорения) ударника, прежде, чем он ударит по наковальне, достигается более эффективное нанесение ударов ударником по наковальне.
В варианте 14 осуществления изобретения, поскольку удары наносятся двумя выступами ударника по двум выступам наковальни, достигается эффективная передача энергии удара от ударника наковальне при хорошей уравновешенности вращающихся частей.
В варианте 15 осуществления изобретения (пункт 1 формулы изобретения), поскольку наковальня установлена спереди ударника, достигается компактность импульсно-силовой ручной машины. Далее, поскольку ударник может вращаться таким образом, что угол поворота ударника по существу пропорционален углу поворота ротора двигателя, управление углом поворота ударника можно осуществлять произвольно, управляя углом поворота ротора двигателя.
В варианте 16 осуществления изобретения, поскольку ударник выполнен с первой выступающей частью, выдающейся из ударника вперед, а наковальня выполнена со второй выступающей частью, выдающейся в радиальном направлении дальше, чем вал наковальни, можно обеспечить небольшой размер (или наружный диаметр) ударника и наковальни и создать компактную импульсно-силовую ручную машину.
В варианте 17 осуществления изобретения (пункт 2 формулы изобретения), поскольку взаимное положение осей сателлитов фиксируется ударником, один компонент редуктора и ударник можно изготовить за одно целое, сократив число деталей и производственные расходы. Поскольку в предлагаемой в изобретении ручной машине не используются пружина, шпиндель с криволинейной канавкой и помещенные в криволинейную канавку шарики в отличие от обычного ударного механизма, ее изготовление и сборка упрощаются.
В варианте 18 осуществления изобретения, поскольку ударник приводится в движение от двигателя в импульсном режиме, эффект нанесения ударов по наковальне может быть достигнут с использованием колебаний крутящего момента на выходе двигателя.
В варианте 19 осуществления изобретения (пункт 3 формулы изобретения), поскольку импульсно-силовая ручная машина содержит ударник, приводимый в движение от двигателя в импульсном режиме, и наковальню, ударяемую ударником в направлении вращения, энергия удара, наносимого ударником, передается держателю рабочего инструмента без потерь.
В варианте 20 осуществления изобретения (пункт 4 формулы изобретения), поскольку сзади ударника предусмотрена цилиндрическая часть, диаметр которой меньше наружного диаметра ударника, и в этой цилиндрической части меньшего диаметра расположен подшипник, посредством которого ударник установлен с возможностью вращения, достигается уменьшение наружного диаметра корпуса. Если ударник установить в корпусе по наружному диаметру, ударник будет склонен к перекосам внутри корпуса, а значит, потеря энергии ударником станет большой. Однако в варианте 20 осуществления изобретения перекос ударника внутри корпуса может быть уменьшен, а с ним уменьшится и потеря энергии ударника.
В варианте 21 осуществления изобретения (пункт 5 формулы изобретения), поскольку ударник и цилиндрическая часть выполнены за одно целое, крутящий момент может передаваться с цилиндрической части непосредственно на ударник без потерь, связанных с наличием пружины, шариков и т.д.
В варианте 22 осуществления изобретения, поскольку импульсно-силовая ручная машина содержит ударник, приводимый в движение от двигателя в импульсном режиме, наковальню, ударяемую ударником в направлении вращения, и предусмотренный на наковальне держатель рабочего инструмента, энергия удара может передаваться на держатель рабочего инструмента после удара по наковальне ударника, приводимого в движение в импульсном режиме, без потерь.
В варианте 23 осуществления изобретения, поскольку между двигателем и ударником предусмотрен редуктор, на выходе редуктора можно получить высокий крутящий момент для приведения ударника во вращение.
В варианте 24 осуществления изобретения (пункт 6 формулы изобретения) импульсно-силовая ручная машина содержит ударник, приводимый в движение от двигателя в импульсном режиме, наковальню, установленную соосно с ударником и ударяемую ударником в направлении вращения. Поскольку ударник и наковальня расположены соосно, импульсно-силовая ручная машина может быть выполнена компактной в отношении радиального размера.
В варианте 25 осуществления изобретения (пункт 7 формулы изобретения), поскольку в наковальне сзади выполнена соединительная выемка, а на ударнике спереди выполнена соединительная ось, входящая в соединительную выемку, наковальня опирается сзади на ударник с возможностью ее вращения. Таким образом, предотвращается перекос наковальни, и уменьшаются потери энергии.
В варианте 26 осуществления изобретения (пункт 8 формулы изобретения) в импульсно-силовой ручной машине, в которой ударник приводится в направлении нормального вращения и в направлении обратного вращения для обеспечения поворота наковальня в направлении нормального вращения, ударник приводится в направлении нормального вращения после его обратного вращения (предварительного поворота назад) и затем сталкивается с наковальней. Это позволяет получить импульсно-силовую ручную машину с простой конструкцией. Поскольку ударник приводится в направлении нормального вращения после того как он натолкнется на наковальню во время обратного вращения (обратный удар), этим обеспечивается надежность перехода от обратного вращения ударника к нормальному вращению. Поскольку такое торможение обратного вращения ударника реализовано за счет столкновения ударника с наковальней, подача в двигатель тока для торможения ударника исключается или значительно уменьшается. Соответственно, может быть снижено потребление энергии двигателем.
В варианте 27 осуществления изобретения (пункт 9 формулы изобретения), поскольку выступающие части наковальни и/или ударника имеют соударяющиеся поверхности, которые сталкиваются друг с другом, а ударник приводится в направлении нормального вращения, попеременно соударяясь с наковальней в обоих направлениях, путем приведения двигателя в действие в направлении нормального вращения и в направлении обратного вращения, это позволяет простым образом реализовать функциональность импульсно-силовой ручной машины за счет разработки способа управления двигателем.
В варианте 28 осуществления изобретения (пункт 10 формулы изобретения), поскольку кулачковые части наковальни и ударника способны поворачиваться относительно друг друга на угол, больший или равный 180° и меньший 360°, нет необходимости конструировать ударник подвижным в осевом направлении, ударный механизм может изготавливаться при небольших затратах, и может быть создана дешевая импульсно-силовая ручная машина.
В варианте 29 осуществления изобретения (пункт 11 формулы изобретения) при нанесении ударником удара по наковальне во время обратного вращения ударника частота вращения ротора двигателя меньше, чем при нанесении удара во время нормального вращения. Таким образом, предотвращается ослабление затяжки или отворачивание заворачиваемого крепежного элемента вследствие удара по наковальне при обратном вращении, т.е. обратного удара.
В варианте 30 осуществления изобретения (пункт 12 формулы изобретения), поскольку при нанесении ударником удара по наковальне во время нормального вращения ударника частота вращения ротора двигателя в два или более раз выше, чем при нанесении удара во время обратного вращения, обеспечивается эффективная работа импульсно-силовой ручной машины в ударном режиме без ослабления затяжки или отворачивания заворачиваемого крепежного элемента.
В варианте 31 осуществления изобретения (пункт 13 формулы изобретения) при нанесении ударником удара по наковальне во время обратного вращения ударника крутящий момент на валу двигателя меньше, чем при нанесении удара во время нормального вращения. Таким образом, обеспечивается эффективная работа импульсно-силовой ручной машины в ударном режиме без ослабления затяжки или отворачивания заворачиваемого крепежного элемента.
В варианте 32 осуществления изобретения (пункт 14 формулы изобретения) при нанесении ударником удара по наковальне во время обратного вращения ударника начальное угловое расстояние от ударника до наковальни меньше, чем при нанесении удара во время нормального вращения. Таким образом, обеспечивается эффективная работа импульсно-силовой ручной машины в ударном режиме без ослабления затяжки или отворачивания заворачиваемого крепежного элемента.
В варианте 33 осуществления изобретения (пункт 15 формулы изобретения), поскольку для управления вращением ротора двигателя предусмотрен блок управления, чем обеспечивается точное управление направлением и скоростью вращения ротора двигателя, а ударник бьет по наковальне не только в направлении нормального вращения, но и в направлении обратного вращения, работа импульсно-силовой ручной машины в ударном режиме может осуществляться с помощью такого блока управления.
В варианте 34 осуществления изобретения (пункт 16 формулы изобретения), поскольку двигатель представляет собой бесщеточный электрический двигатель постоянного тока, управляемый с помощью датчика углового положения, а частота вращения ротора двигателя вычисляется с использованием выходного сигнала датчика углового положения, скорость вращения ротора двигателя можно легко измерять с помощью существующих датчиков (элементов), и для измерения скорости вращения ударника не требуется использовать отдельные средства. Это позволяет избежать увеличения количества используемых компонентов и снизить стоимость импульсно-силовой ручной машины.
В варианте 35 осуществления изобретения в импульсно-силовой ручной машине с ударником, вращающимся в направлениях нормального и обратного вращения, предусмотрен тормозной механизм, останавливающий вращение ударника. Таким образом, когда ударник приводится в обратное вращение, переход от обратного вращения ударника к нормальному вращению может выполняться быстро и надежно. Поскольку положение, в котором прекращается обратное вращение, может быть задано таким образом, чтобы каждый раз быть одинаковым, достигается точность работы машины в ударном режиме. Далее, поскольку при торможении отсутствует потребление электричества, достигается уменьшение расхода запасенной в аккумуляторной батарее электроэнергии и выделения тепла двигателем.
В варианте 36 осуществления изобретения, поскольку кулачковые части наковальни и ударника поворачиваются относительно друг друга на угол менее 360°, нет необходимости конструировать ударник подвижным в осевом направлении, ударный механизм может изготавливаться при небольших затратах, и импульсно-силовая ручная машина может создана при небольших затратах.
В варианте 37 осуществления изобретения, поскольку тормозной механизм расположен в осевом направлении между ударником и редуктором, механические потери невелики, и может быть создана компактная импульсно-силовая ручная машина.
В варианте 38 осуществления изобретения, поскольку тормозной механизм включает в себя храповой механизм, храповое колесо которого способно поворачиваться относительно ударника в заданном направлении вращения менее чем на один оборот, и стопорный кулачок (собачку), ограничивающий вращение храпового колеса в заданном направлении, это позволяет создать удобную в обращении импульсно-силовую ручную машину, в которой вращение рабочего инструмента ограничивается в определенном направлении и не ограничивается в противоположном направлении.
В варианте 39 осуществления изобретения, поскольку стопорный кулачок имеет первую собачку, ограничивающую вращение храпового колеса в направлении нормального вращения, и вторую собачку, ограничивающую вращение храпового колеса в направлении обратного вращения, а тормозной механизм имеет переключатель для приведения в действие первой собачки или второй собачки, направление действия торможения (стопорения) может переключаться, и может быть создан тормозной механизм, действующий только во время обратного вращения.
В варианте 40 осуществления изобретения, поскольку переключатель для приведения в действие первой собачки или второй собачки функционально сопряжен с переключателем направления вращения (хода), который переключает направление вращения ротора двигателя, предотвращается неправильное срабатывание тормозного механизма и может быть создана надежная импульсно-силовая ручная машина. Таким образом, достигается уменьшение числа деталей импульсно-силовой ручной машины и сокращение производственных расходов.
В варианте 41 осуществления изобретения, поскольку храповой механизм содержит храповое колесо, выполненное с зубчатым венцом и дугообразным участком в виде кольца с разрывом, тормозной механизм может быть воплощен простыми механическими элементами.
В варианте 42 осуществления изобретения, поскольку для управления вращением ротора двигателя предусмотрен блок управления, чем обеспечивается точное управление направлением и скоростью вращения ротора двигателя, а ударник бьет по наковальне не только в направлении нормального вращения, но и в направлении обратного вращения, работа импульсно-силовой ручной машины в ударном режиме может осуществляться с помощью такого блока управления.
В варианте 43 осуществления изобретения, поскольку в импульсно-силовой ручной машине предусмотрен тормоз, обеспечивающий прекращение или блокирование обратного вращения ударника, когда ударник приводится в обратное вращение, переход от обратного вращения ударника к нормальному вращению может выполняться быстро и надежно. Поскольку при торможении отсутствует потребление электричества, достигается уменьшение расхода запасенной в аккумуляторной батарее электроэнергии.
В варианте 44 осуществления изобретения, поскольку тормоз удерживается корпусом, усилие, прикладываемое ударником к тормозу, может восприниматься корпусом. По этой причине, поскольку возникающее при торможении усилие не передается в сторону двигателя, достигается уменьшение нагрузки на двигатель.
Краткое описание чертежей
Указанные выше и другие цели изобретения и его новые особенности выявляются ниже в подробном описании осуществления изобретения, поясняемом чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - продольный разрез импульсно-силовой ручной машины 1, соответствующей первому варианту осуществления изобретения,
на фиг.2 - внешний вид импульсно-силовой ручной машины 1, соответствующей первому варианту осуществления изобретения,
на фиг.3 - вид в увеличенном масштабе показанного на фиг.1 ударного механизма 40 и его окружения,
на фиг.4 - вид вентилятора 18 охлаждения, показанного на фиг.1,
на фиг.5 - функциональная схема системы управления двигателем импульсно-силовой ручной машины, соответствующей первому варианту осуществления,
на фиг.6 - базовая конструкция ударника 151 и наковальни 156,
на фиг.7 - шесть стадий работы ударного механизма в первом варианте осуществления изобретения, использующем ударник 151 и наковальню 156, показанные на фиг.6,
на фиг.8 - ударник 41 и наковальня 46, показанные на фиг.1,
на фиг.9 - ударник 41 и наковальня 46, показанные на фиг.1 и изображенные в других ракурсах,
на фиг.10 - стадии работы ударного механизма в первом варианте осуществления изобретения, использующем ударник 41 и наковальню 46, показанные на фиг.8 и 9,
на фиг.11 - графики, показывающие характер изменения пускового сигнала во время работы импульсно-силовой ручной машиной 1, управляющего сигнала на выходе инверторной схемы, скорости вращения ротора двигателя 3 и силы удара ударника 41 по наковальне 46,
на фиг.12 - алгоритм управления двигателем 3 в первом варианте осуществления изобретения,
на фиг.13 - графики изменения во времени подаваемого в двигатель тока и частоты вращения ротора двигателя, поясняющие режим привода ударника 41 в первом варианте осуществления изобретения,
на фиг.14 - алгоритм управления двигателем в импульсном режиме (1) в первом варианте осуществления изобретения,
на фиг.15 - графики, иллюстрирующие зависимость от времени частоты вращения ротора двигателя 3 и значения подаваемого в двигатель 3 тока,
на фиг.16 - алгоритм управления двигателем 3 в импульсном режиме (2) в первом варианте осуществления изобретения,
на фиг.17 - шесть стадий работы ударного механизма во втором варианте осуществления изобретения, использующем ударник 151 и наковальню 156, показанные на фиг.6,
на фиг.18 - стадии работы ударного механизма во втором варианте осуществления изобретения, использующем ударник 41 и наковальню 46, показанные на фиг.8 и 9,
на фиг.19 - графики, показывающие характер изменения пускового сигнала во время работы импульсно-силовой ручной машиной 1, управляющего сигнала на выходе инверторной схемы, скорости вращения ротора двигателя 3 и силы удара ударника 41 по наковальне 46,
на фиг.20 - алгоритм управления двигателем 3 во втором варианте осуществления изобретения,
на фиг.21 - графики изменения во времени подаваемого в двигатель тока и частоты вращения ротора двигателя, поясняющие режим привода ударника 41 во втором варианте осуществления изобретения,
на фиг.22 - алгоритм управления двигателем в импульсном режиме (1) во втором варианте осуществления изобретения,
на фиг.23 - графики, иллюстрирующие зависимость от времени частоты вращения ротора двигателя 3 и значения подаваемого в двигатель 3 тока,
на фиг.24 - алгоритм управления двигателем 3 в импульсном режиме (2) во втором варианте осуществления изобретения,
на фиг.25 - продольный разрез импульсно-силовой ручной машины 1 в третьем варианте осуществления изобретения,
на фиг.26 - вид в увеличенном масштабе показанного на фиг.25 ударного механизма 40 и его окружения,
на фиг.27 - ударный механизм 40 в третьем варианте осуществления изобретения,
на фиг.28 - вид сзади храпового колеса 4 в третьем варианте осуществления изобретения,
на фиг.29 - четыре стадии работы ударного механизма в третьем варианте осуществления изобретения, использующем ударник 41, наковальню 46 и храповое колесо 4,
на фиг.30 - зависимость между направлением вращения ротора двигателя 3 и управляющим током для приведения двигателя в действие,
на фиг.31 - графики, показывающие характер изменения пускового сигнала во время работы импульсно-силовой ручной машиной 1, управляющего сигнала на выходе инверторной схемы, скорости вращения ротора двигателя 3 и силы удара ударника 41 по наковальне 46,
на фиг.32 - алгоритм управления двигателем 3 в третьем варианте осуществления изобретения,
на фиг.33 - графики изменения во времени подаваемого в двигатель тока и частоты вращения ротора двигателя, поясняющие режим привода ударника 41 в третьем варианте осуществления изобретения,
на фиг.34 - алгоритм управления двигателем 3 в импульсном режиме (1) в третьем варианте осуществления изобретения,
на фиг.35 - графики, иллюстрирующие зависимость от времени частоты вращения ротора двигателя 3 и значения подаваемого в двигатель 3 тока,
на фиг.36 - алгоритм управления двигателем 3 в импульсном режиме (2) в третьем варианте осуществления изобретения.
Описание вариантов осуществления изобретения
Первый вариант осуществления изобретения
Ниже со ссылками на чертежи рассматриваются варианты осуществления изобретения. В приведенном ниже описании вертикальное направление ("вверх-вниз"), продольное направление ("вперед-назад") и поперечное направление ("вправо-влево") соответствуют направлениям, показанным на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показана импульсно-силовая, в частности импульсная резьбозавертывающая, ручная машина 1, соответствующая первому варианту осуществления изобретения. В изображенной импульсно-силовой ручной машине 1 ударный механизм 40 приводится в движение посредством заряжаемой аккумуляторной батареи 30 как источника электрической энергии и двигателя 3 как источника механической мощности и сообщает вращение и удары наковальне 46, как выходному валу для непрерывной передачи крутящего момента или передачи энергии периодических ударов на рабочий инструмент (не показан), такой как насадка (бита, головка) шуруповерта или гайковерта, с обеспечением выполнения операции, такой как сборка резьбового соединения путем заворачивания шурупа, болта или гайки.
Двигатель 3 представляет собой бесщеточный электрический двигатель постоянного тока и расположен в трубчатой основной части 6а корпуса 6, имеющего в боковой проекции в целом Т-образную форму. Корпус 6 разделен на два практически симметричных элемента: правый и левый, которые соединяются несколькими винтами. Например, один из правого и левого элементов корпуса 6 (в рассматриваемом варианте осуществления изобретения - левый элемент) выполнен с несколькими приливами 20 под винты для усиления соответствующих резьбовых соединений, а другой (в рассматриваемом варианте осуществления изобретения - правый) выполнен с несколькими отверстиями под винты (не показаны). В основной (горизонтально ориентированной) части 6а корпуса расположен вал 19 двигателя 3, установленный с возможностью вращения в подшипниках 17b на заднем конце и в подшипниках 17а, поддерживающих вал в его средней части. У задней стороны двигателя 3 расположена плата, на которой смонтировано шесть переключающих элементов 10, и двигатель 3 приводится во вращение посредством инверторного управления этими переключающими элементами 10. Для определения углового положения ротора 3а на передней стороне платы 7 смонтирован датчик 58 углового положения, такой как датчик Холла или интегральная схема Холла (магнитоуправляемая интегральная схема).
Корпус 6 имеет рукояточную часть 6b, проходящую почти перпендикулярно основной части 6а корпуса и выполненную за одно целое с ней. Вверху рукояточной части 6b корпуса предусмотрен пусковой выключатель 8 и переключатель 14 направления вращения (нормальное/обратное вращение). Клавиша (гашетка или курок) 8а пускового выключателя 8 поджата пружиной (не показана) таким образом, чтобы выступать из рукояточной части 6b корпуса. Внизу рукояточной части 6b размещена плата 9 управления для управления скоростью двигателя 3 (частотой вращения его ротора) посредством клавиши 8а пускового выключателя. Внизу рукояточной части 6b находится держатель 6с аккумуляторной батареи, на котором съемным образом установлена аккумуляторная батарея 30 с несколькими никель-водородными или литий-ионными гальваническими элементами.
Спереди двигателя 3 на его валу 19 установлен вентилятор 18 охлаждения, вращающийся синхронно с валом. Вентилятор 18 охлаждения всасывает воздух через впускные отверстия 26а и 26b, предусмотренные сзади основной части 6а корпуса. Всасываемый воздух выбрасывается из корпуса 6 наружу через несколько щелей 26с (см. фиг.2), выполненных в основной части 6а корпуса вдоль периферии вентилятора 18 охлаждения радиально снаружи от него.
Ударный механизм 40 в первом варианте осуществления изобретения включает в себя наковальню 46 и ударник 41. Ударник 41 установлен таким образом, чтобы соединять оси нескольких сателлитов планетарного редуктора 21. В отличие от конструкции обычного ударного механизма, широко используемого в настоящее время, ударник 41 не имеет кулачкового механизма, включающего в себя шпиндель, пружину, криволинейную канавку, шарики и т.д. Наковальня 46 и ударник 41 соединены между собой посредством соединительной оси 41а и соединительной выемки 46f, выполненных вокруг их центров вращения таким образом, чтобы их относительное вращение было возможно лишь менее чем на один оборот. На переднем конце наковальни 46 за одно целое с ней выполнен участок выходного вала для установки рабочего инструмента (не показан) с гнездом 46а, имеющим в поперечном сечении, глядя в осевом направлении, шестиугольную форму. Задняя сторона наковальни 46 сопряжена с соединительной осью 41а ударника 41 и зафиксирована вокруг осевого центра металлическим подшипником 16а с возможностью вращения относительно картера 5. Подробно форма наковальни 46 и ударника 41 описывается ниже.
Картер 5 выполнен цельным и металлическим, предназначен для размещения ударного механизма 40 и планетарного редуктора 21 и установлен на передней стороне корпуса 6. Наружная периферийная сторона картера 5 снабжена покрытием 11 из полимерного материала для уменьшения теплопередачи, поглощения ударов и т.д. На конце наковальни 46 расположены втулка 15 и шарики 24 для съемного крепления рабочего инструмента. Втулка 15 охватывает пружину 15а, шайбу 15b и стопорное кольцо 15с.
При нажатии на клавишу 8а и пуске двигателя 3 скорость вращения ротора двигателя 3 понижается планетарным редуктором 21, и ударник 41 вращается с частотой вращения, уменьшенной по отношению к частоте вращения ротора двигателя 3 соответственно передаточному числу редуктора. При вращении ударника 41 крутящий момент с него передается наковальне 46, и наковальня 46 начинает вращаться с той же скоростью, что и ударник 41. Когда сила, приложенная к наковальне 46, становится большой за счет силы реакции (т.е. противодействия, или сопротивления, заворачиванию), воспринимаемой от рабочего инструмента, блок управления определяет нарастание силы реакции и приводит ударник 41 в движение непрерывно или прерывисто, изменяя режим привода ударника 41, прежде, чем двигатель 3 успеет остановиться (застопориться).
На фиг.2 показан внешний вид импульсно-силовой ручной машины 1, изображенной на фиг.1. Корпус 6 имеет три части 6а, 6b и 6с, причем в основной части 6а корпуса вдоль периферии вентилятора 18 охлаждения радиально снаружи от него выполнены щели 26с для выпуска охлаждающего воздуха. На верхней лицевой стороне держателя 6с аккумуляторной батареи предусмотрена панель 31 управления. На панели 31 управления расположены кнопки управления различными операциями, сигнальные лампы и т.д.; например, на панели 31 управления расположены выключатель для включения/выключения светодиодного источника света 12 и кнопка для проверки остаточного количества заряда аккумуляторной батареи. На боковой стороне держателя 6с аккумуляторной батареи предусмотрен переключатель (тумблер) 32, предназначенный, например, для переключения режима привода (режим сверления и ударный режим) двигателя 3. Нажатие на переключатель 32 обеспечивает попеременное включение режима сверления и ударного режима.
Аккумуляторная батарея 30 имеет кнопки 30А расфиксации, расположенные на ней с правой и левой сторон и позволяющие отсоединять аккумуляторную батарею 30 от ее держателя 6с, сдвигая аккумуляторную батарею 30 вперед при одновременном нажатии на кнопки 30А расфиксации. На правой или на левой стороне держателя 6с аккумуляторной батареи съемным образом закреплена металлическая скоба 33 для крепления ручной машины на поясе оператора. Хотя на фиг.2 скоба 33 для крепления на поясе оператора изображена установленной с левой стороны импульсно-силовой ручной машины 1, ее можно снять оттуда и закрепить с правой стороны. Через задний конец держателя 6с аккумуляторной батареи пропущен и закреплен петлей ремешок 34.
На фиг.3 приведен местный вид в увеличенном масштабе показанного на фиг.1 ударного механизма 40 и его окружения. Редуктор 21 выполнен в виде планетарного редуктора. К концу вала 19 двигателя 3 присоединено солнечное зубчатое колесо 21а, действующее таким образом в качестве ведущего (входного) звена планетарного механизма, а внутри кольцевого зубчатого колеса 21d, зафиксированного на основной части 6а корпуса, вращаются несколько сателлитов 21b. Оси 21с сателлитов 21b неподвижно связаны между собой ударником 41, действующим в качестве водила. Ударник 41, являясь ведомым (выходным) звеном планетарного редуктора 21, вращается в том же направлении, что и вал двигателя 3, с понижением скорости относительно вала двигателя соответственно установленному передаточному числу редуктора. Это передаточное число редуктора задается исходя из таких факторов, как тип заворачиваемого крепежного элемента (шуруп/саморез или болт), выходная мощность двигателя 3 и требуемый крутящий момент затяжки. В настоящем варианте осуществления изобретения передаточное число редуктора задано с таким расчетом, чтобы частота вращения ударника 41 составляла примерно от 1/8 до 1/15 частоты вращения ротора двигателя 3.
Внутри основной части 6а корпуса с внутренней периферийной стороны двух приливов 20 под винты предусмотрен внутренний корпус 22. Внутренний корпус 22 изготовлен цельным путем формования из синтетической смолы, такой как пластмасса. С задней стороны внутреннего корпуса выполнена цилиндрическая часть, удерживающая подшипник 17а, в котором с возможностью вращения установлен вал 19 двигателя 3. С передней стороны внутреннего корпуса 22 предусмотрена ступенчатая цилиндрическая часть, имеющая два различных диаметра. На участке меньшего диаметра расположен шариковый подшипник 16b, а на участке большего диаметра в ступенчатую цилиндрическую часть вставлена спереди часть кольцевого зубчатого колеса 21d. Поскольку кольцевое зубчатое колесо 21d установлено на внутреннем корпусе 22 с фиксацией от проворачивания, а внутренний корпус 22 сам прикреплен к основной части 6а корпуса 6 с фиксацией от проворачивания относительно него, кольцевое зубчатое колесо 21d зафиксировано в окружном направлении. Наружная периферийная часть кольцевого зубчатого колеса 21d имеет выступ, в основном определяющий наружный диаметр, и между этим выступом и внутренним корпусом 22 установлено уплотнительное кольцо 23 круглого сечения. На вращающиеся части ударника 41 и наковальни 46 нанесена смазка (не показана), а уплотнительное кольцо 23 круглого сечения обеспечивает уплотнение зазора, чтобы смазка не просачивалась в сторону внутреннего корпуса 22.
В первом варианте осуществления изобретения ударник 41 действует в качестве водила, удерживающего оси 21с сателлитов 21b. Таким образом, задний конец ударника 41 проходит до внутренней периферийной стороны подшипника 16b. Задняя внутренняя периферийная часть ударника 41 расположена в цилиндрическом внутреннем пространстве, вмещающем в себя солнечное зубчатое колесо 21а, закрепленное на валу 19 двигателя 3. Спереди ударника 41 вокруг его центральной оси выполнена соединительная ось 41а, выступающая вперед в осевом направлении, и эта соединительная ось 41а входит в цилиндрическую соединительную выемку 46f, выполненную сзади наковальни 46 вокруг ее центральной оси. Соединительная ось 41а и соединительная выемка 46f сопряжены друг с другом по скользящей посадке с возможностью их вращения относительно друг друга.
На фиг.4 показан вентилятор 18 охлаждения. Вентилятор 18 охлаждения изготовлен цельным путем формования из синтетической смолы, такой как пластмасса. По центру вращения вентилятора охлаждения выполнены сквозное отверстие 18а, через которое проходит вал 19, цилиндрическая часть 18b, удерживающая вентилятор на заданном расстоянии от ротора 3а и охватывающая вал 19 на заданном расстоянии в осевом направлении, а снаружи цилиндрической части 18b по периферии выполнена группа пластин 18с. Внутренняя периферийная сторона пластин 18с по мере приближения к центру смещается к задней стороне и соединена с передней стенкой, не контактируя с цилиндрической частью 18b. Спереди и сзади каждой пластины 18с выполнена одна кольцевая часть вентилятора, и воздух, всасываемый в осевом направлении сзади (независимо от направления вращения вентилятора 18 охлаждения), выбрасывается наружу в окружном направлении из отверстий 18d, выполненных снаружи по периферии вентилятора охлаждения. Поскольку вентилятор 18 охлаждения работает по принципу так называемого центробежного вентилятора, соединен с валом 19 двигателя 3 непосредственно, без задействования планетарного редуктора 21, и вращается с частотой вращения, достаточно высокой по сравнению с частотой вращения ударника 41, внутренние компоненты могут обдуваться достаточным объемом воздуха.
Благодаря использованию подобного вентилятора 18 охлаждения эффективное выдувание воздуха из корпуса 6 с использованием крутящего момента двигателя обеспечивается даже в том случае, если ротор двигателя 3 вращается попеременно в направлениях нормального и обратного вращения, как это предусмотрено в рассматриваемом варианте осуществления изобретения при работе в ударном режиме. Таким образом, достигается эффективное охлаждение переключающего элемента 10 и двигателя 3.
Далее со ссылкой на фиг.5 описываются устройство и работа системы управления двигателем. На фиг.5 показана функциональная схема системы управления двигателем. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения двигатель 3 представляет собой трехфазный бесщеточный электрический двигатель постоянного тока. Этот бесщеточный электрический двигатель постоянного тока относится к типу двигателей с так называемым внутренним ротором и имеет ротор 3а, содержащий постоянные магниты (магниты) с несколькими (в рассматриваемом варианте осуществления изобретения - двумя) наборами полюсов N-S, статор 3b, состоящий из трехфазных обмоток U, V и W статора, включенных по схеме звезды, и трех датчиков 58 углового положения (датчиков Холла), распределенных в окружном направлении с заданным интервалом, например, расположенных через каждые 60°, для регистрации углового положения ротора 3а. На основании сигналов регистрации положения ротора, поступающих от датчиков 58 углового положения, осуществляется управление направлением и временем подачи электрической энергии на обмотки U, V и W статора, в результате чего происходит вращение ротора двигателя 3. Датчики 58 углового положения расположены на плате 7 напротив постоянных магнитов 3с ротора 3а.
Электронные элементы, смонтированные на плате 7, включают в себя шесть переключающих элементов Q1-Q6, таких как полевые транзисторы (ПТ), включенные по трехфазной мостовой схеме. Соответствующие затворы шести переключающих элементов Q1-Q6, включенных по мостовой схеме, соединены со схемой 53 вывода управляющих сигналов, смонтированной на плате 9 управления, а соответствующие стоки/истоки шести переключающих элементов Q1-Q6 соединены с обмотками U, V и W статора, включенными по схеме звезды.
Таким образом, шесть переключающих элементов Q1-Q6 выполняют операции переключения по сигналам управления переключающими элементами (управляющим сигналам, таким как сигналы Н4, Н5 и Н6), поступающим из схемы 53 вывода управляющих сигналов, и подают на обмотки U, V и W статора электрическую энергию в виде напряжений Vu, Vv и Vw трех фаз (фаз U, V и W), получаемую из приложенного к инверторной схеме 52 напряжения постоянного тока аккумуляторной батареи 30.
Среди сигналов управления переключающими элементами (сигналы трех фаз), управляющих выдачей шестью переключающими элементами Q1-Q6 соответствующих сигналов, управляющие сигналы, подаваемые на три переключающих элемента Q4, Q5 и Q6, расположенных со стороны отрицательного полюса источника питания, вырабатываются в виде широтно-импульсно-модулированных сигналов (ШИМ-сигналов) Н4, Н5 и Н6, причем ширина импульсов (коэффициент заполнения, или скважность) ШИМ-сигналов изменяется вычислительным устройством 51, смонтированным на плате 9 управления, на основании сигнала регистрации степени нажатия (хода) клавиши 8а пускового выключателя 8, посредством которой регулируется величина подаваемой в двигатель 3 мощности и осуществляется управление пуском/остановом двигателя 3 и скоростью вращения его ротора.
ШИМ-сигналы подаются либо на переключающие элементы Q1-Q3 инверторной схемы 52, расположенные со стороны положительного полюса источника питания, либо на переключающие элементы Q4-Q6 инверторной схемы 52, расположенные со стороны отрицательного полюса источника питания, а управление подачей электрической энергии, получаемой из напряжения постоянного тока аккумуляторной батареи 30, на обмотки U, V и W статора осуществляется путем переключения с высокой скоростью переключающих элементов Q1-Q3 или переключающих элементов Q4-Q6. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения ШИМ-сигналы подаются на переключающие элементы Q4-Q6, расположенные со стороны отрицательного полюса источника питания. Таким образом, управление скоростью вращения ротора двигателя 3 может осуществляться путем управления шириной импульсов ШИМ-сигналов с обеспечением регулирования электрической энергии, подаваемой на каждую из обмоток U, V и W статора.
Импульсно-силовая ручная машина 1 имеет переключатель 14 направления вращения для переключения направления вращения ротора двигателя 3 между прямым и обратным вращением. Когда схема 62 задания направления вращения обнаруживает изменение положения переключателя 14 направления вращения, она передает в вычислительное устройство 51 управляющий сигнал на переключение направления вращения ротора двигателя. Вычислительное устройство 51 содержит центральный процессор (ЦП) для выдачи управляющих сигналов в результате обработки данных обрабатывающей программой, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения обрабатывающей программы или данных управления, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для временного хранения данных, таймер и т.д., хотя эти элементы на чертеже не показаны.
Схема 53 вывода управляющих сигналов формирует управляющий сигнал для попеременного переключения заданных переключающих элементов Q1-Q6 на основании выходных сигналов схемы 62 задания направления вращения и схемы 54 регистрации углового положения ротора и выдает управляющий сигнал в схему 53 вывода управляющих сигналов. Это обеспечивает попеременную подачу электрической энергии на заданные обмоточные провода обмоток U, V и W статора и вращение ротора 3а в заданном направлении вращения. В этом случае управляющие сигналы, подаваемые на переключающие элементы Q4-Q6, расположенные со стороны отрицательного полюса источника питания, выдаются в виде широтно-импульсно-модулированных (ШИМ) сигналов на основании выходного управляющего сигнала схемы 61 задания подаваемого напряжения. Значение тока, подаваемого в двигатель 3, измеряется схемой 59 регистрации тока и регулируется в качестве заданной электрической энергии привода посредством обратной связи по току с вычислительным устройством 51. ШИМ-сигналы могут подаваться и на переключающие элементы Q1-Q3, расположенные со стороны положительного полюса источника питания.
С блоком 50 управления, смонтированным на плате 9 управления, связан датчик 56 силы удара, определяющий величину создаваемого в наковальне 46 удара, и выходной сигнал этого датчика вводится в вычислительное устройство 51 через схему 57 регистрации силы удара. Датчик 56 силы удара может быть выполнен в виде присоединенного к наковальне 46 тензометра и т.д., и когда заворачивание завершено с нормальным крутящим моментом затяжки, двигатель 3 может быть автоматически остановлен посредством выходного сигнала датчика 56 силы удара.
Далее перед рассмотрением работы ударного механизма в составе ударника 41 и наковальни 46, соответствующих первому варианту осуществления изобретения, ниже со ссылкой на фиг.6 и 7 описывается базовая конструкция ударника и наковальни и принцип их ударного взаимодействия. На фиг.6 показаны ударник 151 и наковальня 156 в базовой конструкции. Ударник 151 выполнен с набором выступающих частей, т.е. с выступающей частью 152 и выступающей частью 153, которые выдаются из цилиндрической основной части 151b корпуса ударника в осевом направлении. Спереди по центру основной части 151b корпуса ударника выполнена соединительная ось 151а, входящая в соединительную выемку (не показана), выполненную в наковальне 156 сзади, в результате чего ударник 151 и наковальня 156 соединены между собой с возможностью вращения относительно друг друга на заданный угол, меньший одного оборота (меньший 360°). Выступающая часть 152 ударника действует в качестве кулачка и имеет плоские ударяющие поверхности 152а и 152b, выполненные с обеих сторон в окружном направлении. Ударник 151 также имеет балансировочную выступающую часть 153 для уравновешивания выступающей части 152 при вращении. Поскольку выступающая часть 153 действует в качестве противовеса для обеспечения балансировки ударника, она не имеет ударяющей поверхности.
С задней стороны основной части 151b корпуса ударника выполнена дисковая часть 151с, соединенная с основной частью посредством перемычки 151d. Пространство между основной частью 151b корпуса ударника и дисковой частью 151с предусмотрено для размещения сателлита 21b планетарного редуктора 21, а в дисковой части 151с выполнено сквозное отверстие 151f под ось 21с сателлита 21b. Хотя это на чертеже и не показано, отверстие под ось 21с сателлита 21b выполнено также в основной части 151b корпуса ударника со стороны, обращенной к дисковой части 151с.
Наковальня 156 выполнена с гнездом 156а, предназначенным для установки рабочего инструмента со стороны переднего торца цилиндрической основной части 156b корпуса наковальни, а с задней стороны основной части 156b корпуса наковальни выполнены две выступающие части 157 и 158, выдающиеся из основной части 156b корпуса наковальни радиально наружу. Выступающая часть 157 наковальни представляет собой кулачок, имеющий ударяемые поверхности 157а и 157b, а выступающая часть 158 наковальни представляет собой противовес и не имеет ударяемой поверхности. Поскольку выступающая часть 157 наковальни рассчитана на то, чтобы сталкиваться с выступающей частью 152 ударника, ее наружный диаметр равен наружному диаметру выступающей части 152 ударника. Обе выступающие части 153 и 158, которые действуют лишь в качестве противовесов, выполнены таким образом, чтобы не задевать друг за друга и не сталкиваться с какими бы то ни было деталями. Для того чтобы сделать угол возможного поворота ударника 151 и наковальни 156 относительно друг друга как можно большим (но менее одного оборота), выступающие части 153 и 158 выполнены с малой радиальной толщиной для увеличения их окружной протяженности с целью уравновешивания выступающих частей 152 и 157 во время вращения. Благодаря выбору большого угла относительного поворота выступающих частей достигается большая протяженность пути ускорения (разгона) ударника перед его столкновением с наковальней, что позволяет наносить удары со значительной энергией.
a1
h1
a2
h2
На фиг.7 показано шесть стадий одного цикла вращательных движений ударника 151 и его взаимодействия с наковальней 156 во время работы ручной машины. Плоскость сечения на фиг.7 перпендикулярна осевому направлению и проходит через ударяющую поверхность 152а (фиг.6). В состоянии, показанном на фиг.7(1), пока воспринимаемый от рабочего инструмента крутящий момент заворачивания мал, наковальня 156 вращается против часовой стрелки, толкаемая ударником 151. Когда же крутящий момент заворачивания возрастет настолько, что дальнейшее вращение наковальни за счет одной лишь толкающей силы со стороны ударника 151 станет невозможным, поскольку ударник 151 упрется в наковальню 156, выполняется реверс двигателя 3 для поворота ударника 151 в обратном (по отношению к направлению заворачивания) направлении по стрелке 161. За счет выполняемого в показанном на чертеже (1) состоянии реверса двигателя 3, сопровождающегося поворотом выступающей части 152 ударника 151 в направлении стрелки 161, и дальнейшего обратного вращения ротора двигателя 3 выступающая часть 152 ударника поворачивается с ускорением в направлении стрелки 162, проходя мимо наружной периферийной стороны выступающей части 158 наковальни, как показано на чертеже (2). Аналогичным образом, наружный диаметр R выступающей части 158 наковальни меньше внутреннего диаметра R выступающей части 152 ударника, и поэтому эти две выступающие части не сталкиваются друг с другом. Наружный диаметр R выступающей части 157 наковальни меньше внутреннего диаметра R выступающей части 153 ударника, и поэтому эти две выступающие части не сталкиваются друг с другом. При таком взаимном положении выступающих частей ударника и наковальни угол поворота ударника 151 и наковальни 156 относительно друг друга может превышать 180°, что позволяет обеспечить достаточный угол обратного поворота ударника 151 относительно наковальни 156.
При дальнейшем обратном вращении ударника 151 и достижении им показанного на фиг.7(3) положения (положения остановки ударника после его обратного вращения, или отвода), как показано стрелкой 163а, вращение ротора двигателя 3 приостанавливается на заданный период времени, после чего начинается вращение ротора двигателя 3 в направлении стрелки 163b (направление нормального вращения). При вращении ударника 151 в направлении обратного вращения важно надежно остановить ударник 151 в положении его остановки, чтобы он не столкнулся с наковальней 156. Хотя положение остановки ударника 151, находящееся до достижения положения, в котором ударник сталкивается с наковальней 156, задается произвольно, желательно, чтобы положение остановки ударника находилось на как можно большем удалении в соответствии с требуемым крутящим моментом затяжки. Положение остановки ударника после его отвода не требуется каждый раз задавать одинаковым, и в начальной стадии заворачивания угол поворота при обратном вращении может быть задаваться малым, а по мере затягивания резьбового соединения угол поворота при обратном вращении может задаваться большим. Если задавать положение остановки ударника изменяющимся таким образом, то, поскольку время, затрачиваемое на обратное вращение ударника, можно свести к минимуму, удар по наковальне может совершаться быстро за малый отрезок времени.
Затем ударнику 151 сообщается ускорение, и он, проходя в направлении стрелки 164 через положение, показанное на фиг.7(4), сталкивается в состоянии ускорения ударяющей поверхностью 152а своей выступающей части 152 с ударяемой поверхностью 157а наковальни 156 в положении, показанном на фиг.7(5). В результате этого столкновения наковальне 156 передается высокий момент, и наковальня 156 поворачивается в направлении, показанном стрелкой 166. В положении, показанном на фиг.7(6), как ударник 151, так и наковальня 156 повернулись на заданный угол из положения, показанного на фиг.7(1), а заворачиваемый крепежный элемент затянулся с требуемым крутящим моментом затяжки за счет повторения процесса, начинающегося в состоянии, показанном на фиг.7(1), и заканчивающегося в состоянии, показанном на фиг.7(5).
Как указано выше, импульсно-силовая ручная машина может быть выполнена с базовой конструкцией ударника 151 и наковальни 156, образующих ударный механизм, за счет использования режима привода с реверсированием двигателя 3 и приведением его ротора в обратное вращение. В случае ударного механизма такой конструкции двигатель также может работать в режиме сверления при соответствующем выборе режима приведения двигателя 3 в действие. Например, в режиме сверления ударник может приводиться во вращение, следуя за наковальней 156, как показано на фиг.7(6), просто за счет вращения ротора двигателя 3 из положения, показанного на фиг.7(5), для вращения ударника 151 в направлении нормального вращения. Таким образом, повторяя эту стадию, можно заворачивать крепежные элементы, такие как шурупы или болты, на высокой скорости при малом крутящем моменте затяжки.
В импульсно-силовой ручной машине 1, соответствующей первому варианту осуществления изобретения, в качестве двигателя 3 используется бесщеточный электрический двигатель постоянного тока. Таким образом, путем вычисления значения тока, поступающего в двигатель 3 из схемы 59 регистрации тока (см. фиг.5), регистрации состояния, когда значение тока стало больше заданного значения, и остановки двигателя 3 посредством вычислительного устройства 51, можно электронными средствами реализовать так называемый механизм электронной предохранительной муфты (ограничения крутящего момента), в котором подача электроэнергии прерывается после заворачивания крепежного элемента с заданным крутящим моментом. Таким образом, в импульсно-силовой ручной машине 1, соответствующей первому варианту осуществления изобретения, механизм электронной предохранительной муфты также может быть реализован во время работы в режиме сверления, и ударный механизм с простой конструкцией позволяет реализовать многорежимную резьбозавертывающую ручную машину, имеющую режим сверления без задействования электронной предохранительной муфты, режим сверления с задействованием электронной предохранительной муфты и ударный режим.
Далее со ссылкой на фиг.8 и 9 подробно рассматривается конструкция ударного механизма 40, показанного на фиг.1 и 2. На фиг.8 изображены ударник 41 и наковальня 46, соответствующие первому варианту осуществления изобретения, причем ударник 41 изображен вполоборота спереди, а наковальня 46 - вполоборота сзади. На фиг.9 изображены ударник 41 и наковальня 46, причем ударник 41 изображен вполоборота сзади, а наковальня 46 - вполоборота спереди. Ударник 41 выполнен с двумя радиально вытянутыми частями 41с и 41d, выступающими в радиальном направлении из цилиндрической основной части 41b корпуса ударника. Хотя радиально вытянутые части 41d и 41с выполнены с соответствующими выступающими частями, выдающимися в осевом направлении, эта конструкция отличается от базовой конструкции, показанной на фиг.6, тем, что в радиально вытянутых частях 41d и 41с выполнены соответственно набор кулачковых частей и набор балансировочных частей.
Внешняя периферийная часть радиально вытянутой части 41с имеет форму веера, и из внешней периферийной части выдается вперед в осевом направлении выступающая часть 42. Веерообразная часть и выступающая часть 42 ударника действуют как в качестве кулачковой части (кулачка), так и в качестве балансировочной части. С обеих сторон выступающей части 42 ударника в окружном направлении выполнены ударяющие поверхности 42а и 42b. Обе ударяющие поверхности 42а и 42b выполнены плоскими и расположены под небольшим углом друг к другу, чтобы эффективно контактировать с ударяемыми поверхностями наковальни 46 (которая описывается ниже) всей своей площадью. Радиально вытянутая часть 41d также выполнена с веерообразной внешней периферийной частью, и масса этой веерообразной части увеличивается от центра ввиду ее формы. В результате радиально вытянутая часть хорошо действует в качестве балансировочной части. Далее примерно посредине радиально вытянутой части 41d в радиальном направлении выполнена выступающая часть 43, выдающаяся вперед в осевом направлении. Выступающая часть 43 ударника действует в качестве кулачковой части (кулачка), и с обеих сторон этой выступающей части в окружном направлении выполнены ударяющие поверхности 43а и 43b. Обе ударяющие поверхности 43а и 43b выполнены плоскими и расположены под небольшим углом друг к другу, чтобы эффективно контактировать с ударяемыми поверхностями наковальни 46 (которая описывается ниже) всей своей площадью.
По центру основной части 41b корпуса ударника с передней стороны выполнена соединительная ось 41а, вставляемая в соединительную выемку 46f наковальни 46. С задней стороны основной части 41b корпуса ударника выполнены две дисковые части 44а и 44b и перемычки 44с, которые соединяют указанные дисковые части в двух местах в окружном направлении, что позволяет ударнику действовать в качестве водила планетарного редуктора. В двух местах дисковых частей 44а и 44b в окружном направлении выполнены соответствующие сквозные отверстия 44d, между дисковыми частями 44а и 44b расположены два сателлита 21b планетарного редуктора (см. фиг.3), а оси 21с (см. фиг.3) сателлитов 21b установлены в сквозных отверстиях 44d. С задней стороны дисковой части 44b выполнена цилиндрическая часть 44е, проходящая в осевом направлении в форме цилиндра. Своей наружной периферийной стороной цилиндрическая часть 44е удерживается внутри подшипника 16b. В полости 44f, находящейся внутри цилиндрической части 44е, расположено солнечное зубчатое колесо 21а (см. фиг.3). Как с точки зрения прочности, так и с точки зрения веса ударник 41 и наковальню 46, показанные на фиг.8 и 9, предпочтительно изготавливать цельными из металла.
Наковальня 46 выполнена с двумя радиально вытянутыми частями 46с и 46d, выступающими в радиальном направлении из цилиндрической основной части 46b корпуса наковальни. По внешней периферии радиально вытянутой части 46с выполнена выступающая часть 47, выдающаяся в осевом направлении назад. С обеих сторон выступающей части 47 наковальни в окружном направлении выполнены ударяемые поверхности 47а и 47b. Другая выступающая часть 48 наковальни, выдающаяся в осевом направлении назад, выполнена в корневой части (вокруг радиального центра) радиально вытянутой части 46d. С обеих сторон выступающей части 48 наковальни в окружном направлении выполнены ударяемые поверхности 48а и 48b. Когда ударник 41 вращается в направлении нормального вращения (направление вращения при заворачивании/затягивании винта, шурупа и т.д.), ударяющая поверхность 42а прилегает к ударяемой поверхности 47а, и одновременно ударяющая поверхность 43а прилегает к ударяемой поверхности 48а. Когда ударник 41 вращается в направлении обратного вращения (направление вращения при ослаблении или выворачивании винта, шурупа и т.д.), ударяющая поверхность 42b прилегает к ударяемой поверхности 47b, и одновременно ударяющая поверхность 43b прилегает к ударяемой поверхности 48b. Выступающие части 42, 43, 47 и 48 выполнены таким образом, чтобы одновременно соприкасаться в двух местах.
Таким образом, поскольку в случае показанных на фиг.8 и 9 ударника 41 и наковальни 46 удары по наковальне наносятся в двух местах, симметричных относительно осевого центра вращения, при нанесении ударов механизм хорошо уравновешен, и во время работы в ударном режиме импульсно-силовая ручная машина 1 практически не вибрирует. Поскольку ударяющие поверхности предусмотрены соответственно с обеих сторон выступающей части в окружном направлении, работа в ударном режиме возможна не только при нормальном вращении рабочего инструмента, но и при его обратном вращении, что позволяет создать легкую в использовании импульсно-силовую ручную машину. Поскольку ударник 41 бьет по наковальне 46 только в окружном направлении и не бьет по наковальне 46 в осевом направлении вперед, рабочий инструмент не оказывает излишнего давления на заворачиваемый крепежный элемент, что является преимуществом при заворачивании в древесину шурупов, саморезов и т.п.
Далее со ссылкой на фиг.10 рассматривается процесс работы ударного механизма, образованного ударником 41 и наковальней 46, показанными на фиг.8 и 9. В основном этот процесс аналогичен рассмотренному на фиг.7, а отличие заключается в том, что во время работы в ударном режиме удары наносятся ударяющими поверхностями не в одном месте, а одновременно в двух местах, расположенных по существу осесимметрично. На фиг.10 показано поперечное сечение плоскостью А-А, показанной на фиг.3. На фиг.10 показано взаимное положение выступающих частей 42 и 43, выдающихся из ударника 41 в осевом направлении, и выступающих частей 47 и 48, выдающихся из наковальни 46 в осевом направлении. Направлением вращения наковальни 47 при заворачивании крепежного элемента (при нормальном вращении) является направление против часовой стрелки.
H2
A1
H1
A2
На фиг.10(1) показано состояние, когда ударник 41 вращается в направлении обратного вращения для достижения максимально отведенного положения относительно наковальни 46 (эквивалентного состоянию, показанному на фиг.7(3)). Из этого состояния ударник 41 ускоряется в направлении стрелки 91 (в направлении нормального вращения), чтобы ударить по наковальне 46. Затем, как показано на фиг.10(2), выступающая часть 42 ударника проходит мимо наружной периферийной стороны выступающей части 48 наковальни, и одновременно выступающая часть 43 ударника проходит мимо внутренней периферийной стороны выступающей части 47 наковальни. Для того чтобы две выступающие части могли проходить мимо друг друга, внутренний диаметр R выступающей части 42 ударника больше наружного диаметра Rвыступающей части 48 наковальни, и поэтому эти выступающие части не сталкиваются друг с другом. Аналогичным образом, наружный диаметр Rвыступающей части 43 ударника меньше внутреннего диаметра Rвыступающей части 47 наковальни, и поэтому эти две выступающие части не сталкиваются друг с другом. При таком взаимном положении выступающих частей ударника и наковальни угол поворота ударника 41 и наковальни 46 относительно друг друга может превышать 180°, что позволяет обеспечить достаточный угол обратного поворота ударника 41 относительно наковальни 46, и этот угол обратного поворота может быть расположен на участке ускорения ударника 41, предшествующего удару ударника 41 по наковальне 46.
H2
H3
H1
A2
A3
A1
Далее, когда ударник 41 вращается в направлении нормального вращения с переходом в состояние, показанное на фиг.10(3), ударяющая поверхность 42а выступающей части 42 ударника сталкивается с ударяемой поверхностью 47а выступающей части 47 наковальни. Одновременно ударяющая поверхность 43а выступающей части 43 ударника сталкивается с ударяемой поверхностью 48а выступающей части 48 наковальни. Благодаря тому, что столкновение выступающих частей ударника и наковальни происходит в двух местах, противоположных друг другу относительно оси вращения, при нанесении ударов достигается хорошая уравновешенность ударника относительно наковальни 46. В результате этих ударов, как показано на фиг.10(4), наковальня 46 поворачивается в направлении стрелки 94, и за счет этого поворота происходит заворачивание крепежного элемента. Ударник 41 имеет выступающую часть 42, которая является одиночным выступом на своем радиальном уровне (ограниченном изнутри радиусом R и снаружи радиусом R), и выступающую часть 43, которая является третьим одиночным выступом на своем радиальном уровне (ограниченном снаружи радиусом R). Наковальня 46 имеет выступающую часть 47, которая является одиночным выступом на своем радиальном уровне (ограниченном изнутри радиусом R и снаружи радиусом R), и выступающую часть 48, которая является одиночным выступом на своем радиальном уровне (ограниченном снаружи радиусом R).
Далее рассматривается способ управления работой импульсно-силовой ручной машины 1, соответствующей первому варианту осуществления изобретения. У импульсно-силовой ручной машины 1, соответствующей первому варианту осуществления изобретения, наковальня 46 и ударник 41 выполнены с возможностью их поворота относительно друг друга на угол менее 360°. Поскольку ударник 41 не может повернуться относительно наковальни 46 более чем на один оборот, управление вращением также является однозначно определяемым по угловому положению в пределах оборота. На фиг.11 показаны: пусковой сигнал во время работы импульсно-силовой ручной машины 1, управляющий сигнал на выходе инверторной схемы, скорость вращения ротора двигателя 3 и сила удара, наносимого ударником 41 по наковальне 46. По оси абсцисс для соответствующих графиков отложено время (все графики приведены в едином масштабе времени).
1
2
2
В импульсно-силовой ручной машине 1, соответствующей первому варианту осуществления изобретения, в случае заворачивания крепежного элемента в ударном режиме вначале заворачивание крепежного элемента выполняется на высокой скорости в режиме сверления, затем, если обнаружено, что потребный крутящий момент стал большим, заворачивание крепежного элемента продолжается путем переключения на ударный, или импульсный, режим (1), а если потребный крутящий момент стал еще больше, то заворачивание крепежного элемента выполняется путем переключения на ударный режим (2). В режиме сверления, длящемся от момента времени t до момента времени Т, показанных на фиг.11, блок 50 управления управляет двигателем 3 на основании заданной частоты вращения. Поэтому двигатель 3 ускоряется, пока его ротор не достигнет заданной частоты вращения, показанной стрелкой 1085а. После этого скорость вращения ротора двигателя 3, из-за нарастания силы реакции, действующей со стороны присоединенного к наковальне 46 рабочего инструмента, постепенно уменьшается до уровня, обозначенного стрелкой 1085b. Таким образом, уменьшение скорости вращения выявляется путем регистрации значения тока, подаваемого в двигатель 3, и в момент времени Т выполняется переключение вращательного привода в импульсный режим (1).
2
21
21
3
3
31
31
4
Импульсный режим (1) - это режим, в котором двигатель 3 приводится в действие не непрерывно, а прерывисто, и приводится в действие импульсами с многократным повторением последовательности "пауза → приведение в нормальное вращение". Выражение "приводится в действие импульсами" означает здесь управление приводом посредством импульсной подачи отпирающего сигнала в инверторную схему 52 и, соответственно, импульсной подачи в двигатель 3 управляющего тока, вызывающей импульсные изменения частоты вращения или крутящего момента на валу двигателя 3. Такая пульсация создается повторением цикла включения/отключения управляющего тока с большим периодом (например, с частотой, примерно составляющей от нескольких десятков герц до ста и нескольких десятков герц), например, путем отключения подаваемого в двигатель управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени T (пауза), включения управляющего тока для приведения двигателя в действие в период с момента времени Т до момента времени Т (привод), отключения управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени Т (пауза) и включения управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени Т. Хотя для управления частотой вращения ротора двигателя 3 при включенной подаче управляющего тока выполняется ШИМ-управление, период пульсации тока достаточно мал по сравнению с периодом (обычно несколько килогерц) управления посредством коэффициента заполнения импульсов.
2
В показанном на фиг.11 примере после того как в момент времени Тподача управляющего тока в двигатель 3 была приостановлена на заданный период времени, а скорость вращения ротора двигателя 3 уменьшилась до уровня, обозначенного стрелкой 1085b, блок управления 51 (см. фиг.5) посылает управляющий сигнал 1083а в схему 53 вывода управляющих сигналов, тем самым обеспечивая подачу в двигатель 3 пульсирующего управляющего тока (управляющего импульса) для ускорения двигателя. Такое управление двигателем во время его ускорения означает подачу импульсов не обязательно при коэффициенте заполнения импульсов 100%, но и при коэффициенте заполнения импульсов, меньшем 100%. Затем поступает показанный стрелкой 1088а сигнал силы удара, проходящий в результате сильного столкновения ударника 41 с наковальней 46 при скорости, показанной стрелкой 1085с. При поступлении сигнала силы удара подача управляющего тока в двигатель 3 приостанавливается на заданный период времени, и скорость вращения ротора двигателя уменьшается снова до уровня, обозначенного стрелкой 1085d. После этого блок управления 51 посылает в схему 53 вывода управляющих сигналов управляющий сигнал 1083b, тем самым ускоряя двигатель 3. Затем поступает показанный стрелкой 1088b сигнал силы удара, проходящий в результате сильного столкновения ударника 41 с наковальней 46 при скорости, показанной стрелкой 1085е. В импульсном режиме (1) описанная выше последовательность "пауза → приведение в нормальное вращение" для реализации прерывистого приведения двигателя 3 в действие повторяется один или несколько раз. Если обнаружено, что для заворачивания крепежного элемента требуется еще более высокий крутящий момент, выполняется переключение вращательного привода в импульсный режим (2). Определение того, необходим ли для заворачивания крепежного элемента еще более высокий крутящий момент, может осуществляться, например, по частоте вращения ротора двигателя 3 до или после соответствующего стрелке 1085е момента времени, когда поступает сигнал силы удара, показанный стрелкой 1088b.
Хотя импульсный режим (2) также предусматривает прерывистое приведение двигателя 3 в действие, т.е. приведение в движение импульсами, аналогично импульсному режиму (1), в этом случае двигатель приводится в действие путем многократного повторения иной последовательности, а именно: "пауза → приведение в обратное вращение → пауза (остановка) → приведение в нормальное вращение". То есть при работе ручной машины в импульсном режиме (2) для сообщения ротору двигателя 3 не только нормального вращения, но и обратного вращения ударник 41 ускоряется в направлении нормального вращения, чтобы сильно столкнуться с наковальней 46 лишь после поворота ударника 41 в направлении обратного вращения на достаточное угловое расстояние относительно наковальни 46. Подобная схема сообщения ударнику 41 движения позволяет создавать на наковальне 46 высокий крутящий момент заворачивания крепежного элемента.
В примере, показанном на фиг.11, когда в момент времени Т4 выполняется переключение в импульсный режим (2), приведение двигателя 3 в действие временно останавливается, а затем ротор двигателя 3 начинает вращаться в направлении обратного вращения за счет посылки в схему 53 вывода управляющих сигналов управляющего сигнала 1084а в отрицательном направлении. При выполнении нормального вращения или обратного вращения это нормальное или обратное вращение реализуется путем смены формы каждого управляющего сигнала (сигнал включения/отключения питания двигателя), выдаваемого схемой 53 вывода управляющих сигналов в каждый из переключающих элементов Q1-Q6. Если ротор двигателя 3 повернулся в направлении обратного вращения на заданный угол, подача управляющего тока в двигатель 3 временно прекращается с последующим началом приведения ротора двигателя в нормальное вращение. Для этого в схему 53 вывода управляющих сигналов посылается управляющий сигнал 1084b в положительном направлении. В случае вращательного привода с помощью инверторной схемы 52 управляющий сигнал не переключается на плюсовую или минусовую сторону. Управляющий сигнал классифицируется как действующий в направлении "плюс" или "минус" и схематически представлен на фиг.11, что обеспечивает простоту понимания того, вращается ли ротор двигателя, и если да, то в каком направлении.
Ударник 41 сталкивается с наковальней 46 в момент времени, когда скорость вращения ротора двигателя 3 достигла максимального значения (стрелка 1086с). В результате этого столкновения создается крутящий момент 1089а на заворачивание крепежного элемента, значительно более высокий, чем крутящие моменты 1088а, 1088b, создаваемые в импульсном режиме (1). При подобном столкновении частота вращения ротора двигателя 3 уменьшается с уровня, обозначенного стрелкой 1086с, до уровня, обозначенного стрелкой 1086d. Кроме того, в момент обнаружения обозначенного стрелкой 1089а столкновения ударника с наковальней управление двигателем может предусматривать прекращение подачи управляющего сигнала в двигатель 3. В этом случае, если крепежным элементом является болт, гайка и т.д., уменьшается отдача от удара, передаваемая на руку пользователя. Если же в первом варианте осуществления изобретения управляющий ток подается в двигатель 3 даже после столкновения ударника с наковальней, ощущаемая пользователем сила реакции мала по сравнению с режимом сверления и подходит для работы в условиях средней нагрузки. Таким образом, скорость заворачивания крепежного элемента может быть увеличена, а потребление энергии может быть снижено по сравнению с мощным импульсным режимом. После этого аналогичным образом выполняется заворачивание крепежного элемента высоким крутящим моментом, для чего заданное количество раз повторяется последовательность "пауза → приведение в обратное вращение → пауза (остановка) → приведение в нормальное вращение", и при отпускании пользователем в момент времени Т7 клавиши пускового выключателя двигатель 3 останавливается, и операция по заворачиванию крепежного элемента завершается. Помимо снятия пользователем управляющего воздействия с пускового выключателя, двигатель 3 также может быть остановлен в случае, если вычислительное устройство 51 по выходному сигналу датчика 56 силы удара (см. фиг.5) определит, что заворачивание крепежного элемента завершено с заданным крутящим моментом затяжки.
Как указано выше, в первом варианте осуществления изобретения в начальной стадии заворачивания крепежного элемента, когда для этого требуется лишь небольшой крутящий момент, вращательный привод работает в режиме сверления, затем при увеличении потребного крутящего момента заворачивание крепежного элемента выполняется в ударном режиме (1) путем прерывистого приведения ротора двигателя во вращение только в направлении нормального вращения, и в заключительной стадии заворачивания ручная машина работает в ударном режиме (2) с прерывистым приведением двигателя 3 в действие в направлениях нормального и обратного вращения. Кроме того, заворачивание крепежного элемента может выполняться с использованием ударного режима (1) и ударного режима (2). Также можно использовать управляющее воздействие для перевода машины из режима сверления сразу в ударный режим (2), минуя ударный режим (1). Поскольку в ударном режиме (2) ротор двигателя попеременно вращается в направлениях нормального и обратного вращения, скорость заворачивания крепежного элемента становится значительно меньшей, чем в режиме сверления или в ударном режиме (1). Когда скорость заворачивания крепежного элемента таким образом резко уменьшается, у оператора при переходе ручной машины в ударный режим возникает сильное, по сравнению с импульсно-силовой ручной машиной, имеющей обычный ударно-вращательный механизм, ощущение дискомфорта. Таким образом, при переходе из режима сверления в ударный режим (2) наличие между ними промежуточного ударного режима (1) позволяет сделать тактильные ощущения пользователя естественными. Например, как можно дольше заворачивая крепежный элемент в режиме сверления или в ударном режиме (1), можно обеспечить сокращение длительности операции заворачивания крепежного элемента.
Далее со ссылкой на фиг.12-16 описывается процесс управления импульсно-силовой ручной машиной 1 в первом варианте осуществления изобретения. На фиг.12 показана блок-схема алгоритма управления импульсно-силовой ручной машиной 1, соответствующей первому варианту осуществления изобретения. До начала пользователем работы импульсно-силовая ручная машина 1 определяет (шаг 1101), выбран ли посредством переключателя 32 ударный режим (см. фиг.2). Если ударный режим выбран, процесс управления переходит к шагу 1102, а если ударный режим не выбран, т.е. в случае выбора обычного режима сверления, процесс управления переходит к шагу 1110.
В ударном (импульсном) режиме вычислительное устройство 51 определяет, включен ли пусковой выключатель 8. Если пусковой выключатель включен (клавиша 8а нажата), как показано на фиг.11, двигатель 3 запускается в режиме сверления (шаг 1103), и в соответствии со степенью нажатия клавиши 8а пускового выключателя начинается ШИМ-управление инверторной схемой 52 (шаг 1104). Затем вращение ротора двигателя 3 ускоряется с одновременным контролем подаваемого в двигатель 3 пикового тока на предмет непревышения им верхнего предела р. Далее по истечении заданного времени (t миллисекунд) после пуска двигателя посредством выходного сигнала схемы 59 регистрации тока (см. фиг.5) регистрируется значение I тока, подаваемого в двигатель 3 (шаг 1106). Если зарегистрированное значение I тока не превышает заданного значения (р1 ампер), процесс возвращается к шагу 1104, а если значение тока превысило заданное значение (р1 ампер), процесс переходит к шагу 1108 (шаг 1107). Затем определяется (шаг 1108), превышает ли зарегистрированное значение I тока второе заданное значение (р2 ампер).
Если на шаге 1108 зарегистрированное значение I тока не превышает р2 ампер, т.е. если выполнено условие р1<I<р2, процесс управления после выполнения алгоритма импульсного режима (1), показанного на фиг.14, переходит к шагу 1109 (шаг 1120). Если же зарегистрированное значение I тока превышает р2 ампер, процесс управления переходит к шагу 1109 сразу, без выполнения алгоритма импульсного режима (1). На шаге 1109 определяется, находится ли пусковой выключатель 8 во включенном состоянии. Если пусковой выключатель выключен, процесс управления возвращается к шагу 1101. Если же пусковой выключатель остается включенным, процесс управления возвращается к шагу 1101 после выполнения алгоритма импульсного режима (2), показанного на фиг.16.
Если на шаге 1101 выбран режим сверления, выполняется этот режим сверления (шаг 1110), причем управление двигателем в режиме сверления осуществляется таким же образом, что и управление на шагах 1102-1107. Затем при регистрации управляющего тока, вызывающего срабатывание электронной предохранительной муфты, или состояния перегрузки по току, непосредственно предшествующего блокировке двигателя 3, в качестве тока р1 на шаге 1107, с соответствующей остановкой двигателя 3 (шаг 1111), работа в режиме сверления завершается, и процесс управления возвращается к шагу 1101.
A
Ниже со ссылкой на фиг.13 описывается процесс переключения режимов, происходящий на шагах 1107 и 1108. На верхних графиках показано изменение частоты вращения ротора двигателя 3 с течением времени, а на нижних графиках показано изменение значения подаваемого в двигатель 3 тока с течением времени, причем верхние и нижние графики выполнены в едином масштабе времени. Как показано на левых графиках, при нажатии на клавишу пускового выключателя в момент времени Т (эквивалентного шагу 1102 на фиг.12) двигатель 3 запускается и ускоряется, как показано стрелкой 1113а. Во время этого ускорения выполняется стабилизация тока с ограничением тока максимальным значением р, как показано стрелкой 1114а. Когда частота вращения ротора двигателя 3 достигла заданного значения (стрелка 1113b), ток, стабилизированный во время ускорения, начинает вести себя обычным образом, как показано стрелкой 1114b. Соответственно, значение тока уменьшается. После этого при увеличении силы реакции, воспринимаемой от крепежного элемента, такого как шуруп, болт и т.д., по мере его заворачивания, частота вращения ротора двигателя 3 постепенно уменьшается, как показано стрелкой 1113с, а значение подаваемого в двигатель 3 тока увеличивается. Затем по истечении t миллисекунд после пуска двигателя 3 определяется значение тока. Если выполнено условие р1<I<р2, как показано стрелкой 1114с, процесс на шаге 1120 переходит на управление двигателем в импульсном режиме (1), рассматриваемом ниже.
B
Как показано на правых графиках, при нажатии на клавишу пускового выключателя в момент времени Т (эквивалентного шагу 1102 на фиг.12) двигатель 3 запускается и ускоряется, как показано стрелкой 1115а. Во время этого ускорения выполняется стабилизация тока с ограничением тока максимальным значением р, как показано стрелкой 1116а. Когда частота вращения ротора двигателя 3 достигает заданного значения (стрелка 1115b), ток во время ускорения начинает вести себя обычным образом, как показано стрелкой 1116b. Таким образом, значение тока уменьшается. После этого, при увеличении силы реакции, воспринимаемой от крепежного элемента, такого как шуруп, болт и т.д., по мере его заворачивания, частота вращения ротора двигателя 3 постепенно уменьшается, как показано стрелкой 1115с, а значение подаваемого в двигатель 3 тока увеличивается. В данном примере сила реакции, воспринимаемая от крепежного элемента, увеличилась быстро. Таким образом, как показано стрелкой 1115с, частота вращения ротора двигателя 3 сильно уменьшается, а интенсивность нарастания значения тока велика. Тогда, поскольку значение тока по истечении t миллисекунд с момента пуска двигателя 3 удовлетворяет условию р2<1, как показано стрелкой 1116с, процесс на шаге 1140 переходит на управление двигателем в импульсном режиме (2), рассматриваемом ниже со ссылкой на фиг.16.
Обычно при заворачивании шурупа, болта и т.п. предполагается, что крутящий момент его затяжки часто непостоянен из-за отклонений от номинальной точности механической обработки подобного крепежного элемента (шурупа или болта), состояния затягиваемого крепежного элемента, изменчивости свойств материала, таких как сучковатость, структура дерева и т.д. Поэтому крепежный элемент может быть затянут одним ударом непосредственно перед завершением процесса заворачивания, выполняемого только в режиме сверления. В подобном случае, при пропуске заворачивания в ударном режиме (1) и переключении на заворачивание в режиме сверления (2) с более высоким крутящим моментом затяжки, операция заворачивания крепежного элемента может быть эффективно завершена за короткое время.
1n
1n
2n
1n
2n
2n
1n
2n
1(n+1)
2n
th
th
th
Далее со ссылкой на фиг.14 описывается алгоритм управления импульсно-силовой ручной машиной в импульсном режиме (1). Если процесс управления ручной машиной переключился в импульсный режим (1), то сначала, по истечении заданного периода паузы, пиковый ток ограничивается таким образом, чтобы он был меньше или равен предельному значению р3 ампер (шаг 1121), а ротор двигателя 3 в течение заданного периода времени, т.е. Т миллисекунд, приводится во вращение путем подачи в двигатель тока нормального вращения (шаг 1122). Затем по истечении времени Т миллисекунд регистрируется частота вращения N)n [об/мин] ротора двигателя 3 (n=1, 2,…) (шаг 1123). Далее подаваемый в двигатель 3 управляющий ток отключается, и измеряется время t, прошедшее до понижения частоты вращения ротора двигателя 3 от N до N (=N/2). Затем получают значение времени t, определяемое как t=X-t, в течение этого времени t в двигатель 3 подается ток нормального вращения (шаг 1126), и пиковый ток удерживается меньшим или равным р3 ампер с обеспечением ускорения ротора двигателя 3. Затем для переключения в импульсный режим (2) определяется, является ли частота вращения N ротора двигателя 3 по истечении времени t меньшей или равной пороговой частоте вращения R. Если частота вращения ротора двигателя меньше или равна значению R, алгоритм управления в импульсном режиме (1) завершается, и процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 1120, показанному на фиг.12, а если частота вращения ротора двигателя больше или равна R, процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 1124 (шаг 1128).
1
11
21
12
11
11
21
2n
2n
1n
th
На фиг.15 показаны изменение частоты вращения ротора двигателя 3 с течением времени и изменение значения подаваемого в двигатель 3 тока с течением времени при выполнении алгоритма управления, показанного на фиг.14. Сначала в течение отрезка времени Т в двигатель 3 подается управляющий ток 1132. Поскольку подача управляющего тока осуществляется с ограничением пикового тока таким образом, чтобы тот был меньше или равен р3 ампер, ток во время ускорения ограничивается, как показано стрелкой 1132а, а затем значение тока уменьшается, как показано стрелкой 1132b, в то время как частота вращения ротора двигателя 3 увеличивается. В момент времени t, когда в результате соответствующего измерения установлено, что частота вращения ротора двигателя 3 достигла значения N, вычисляется частота вращения N, с которой начнется вращение ротора двигателя 3, для чего используется выражение N=N/2. Частота вращения N составляет, например, 10000 об/мин. После того как частота вращения ротора двигателя 3 уменьшилась до значения N, в двигатель подается управляющий ток 1133, и двигатель 3 ускоряется снова. Время t, в течение которого происходит подача управляющего тока 1133, определяется по выражению t=X-t. Аналогично, хотя в циклах 2Х и 3Х управление осуществляется так же, с увеличением силы реакции (противодействия, или сопротивления, заворачиванию) интенсивность повышения частоты вращения ротора двигателя 3 уменьшается, и в момент времени 4Х частота вращения N14 станет меньшей или равной пороговой частоте вращения R. В этот момент времени выполнение импульсного режима (1) завершается, и процесс управления переключается на импульсный режим (2).
Далее со ссылкой на фиг.16 описывается алгоритм управления импульсно-силовой ручной машиной в импульсном режиме (2). Сначала отключается подаваемый в двигатель 3 управляющий ток, и в течение 5 миллисекунд система управления двигателем находится в состоянии ожидания (шаг 1141). Далее в двигатель 3 подается ток обратного вращения для раскрутки его ротора до частоты вращения -3000 об/мин (шаг 1142). Знак "минус" означает здесь, что ротор двигателя 3 в этом случае вращается в направлении, обратном направлению рабочего вращения с частотой 3000 об/мин. Далее, если частота вращения ротора двигателя 3 достигла -3000 об/мин, подаваемый в двигатель 3 ток отключается, и в течение 5 миллисекунд система управления двигателем находится в состоянии ожидания (шаг 1143). Причина нахождения в состоянии ожидания в течение 5 миллисекунд заключается в том, что при резком реверсировании двигателя 3 корпус импульсно-силовой ручной машины может дернуться. Кроме того, это также связано с тем, что во время такого ожидания потребление электрической энергии отсутствует, а значит, достигается экономия энергии. Далее для приведения двигателя 3 в действие в направлении нормального вращения включается ток нормального вращения (шаг 1144). Спустя 95 миллисекунд после включения тока нормального вращения подаваемый в двигатель 3 ток отключается. Однако до отключения этого тока ударник 41 успеет столкнуться с наковальней 46 (ударить по ней), создав на рабочем инструменте высокий крутящий момент заворачивания (шаг 1145). После этого определяется, находится ли пусковой выключатель во включенном состоянии (нажата ли его клавиша). Если пусковой выключатель находится в выключенном состоянии (клавиша отпущена), вращение ротора двигателя 3 останавливается, управление двигателем в импульсном режиме (2) завершается, и процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 1140, показанному на фиг.12 (шаги 1147 и 1148). На шаге 1147, если пусковой выключатель 8 находится во включенном состоянии, процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 1141 (шаг 1147).
Как это описано выше, первый вариант осуществления изобретения обеспечивает эффективное заворачивание крепежного элемента путем приведения двигателя в непрерывное вращение, прерывистое вращение только в направлении нормального вращения и прерывистое вращение в направлениях нормального и обратного вращения и с использованием ударника и наковальни, установленных с возможностью поворота относительно друг друга менее чем на один оборот. Далее благодаря простоте конструктивного оформления ударника и наковальни достигается возможность миниатюризации и удешевления предлагаемой в изобретении импульсно-силовой ручной машины.
Возможности осуществления изобретения не ограничиваются описанным выше вариантом. Например, хотя в качестве примера двигателя был приведен бесщеточный электрический двигатель постоянного тока, изобретение допускает использование других видов двигателей, которые могут приводиться в действие в направлениях нормального и обратного вращения.
Далее наковальня и ударник могут иметь любую подходящую форму. Необходимо лишь конструктивными мерами исключить возможность непрерывного вращения наковальни и ударника относительно друг друга (возможность их вращения с обгоном друг друга), обеспечить заданный угол их поворота относительно друг друга, меньший 360°, и сформировать на ударнике ударяющую поверхность, а на наковальне - ударяемую поверхность. Например, выступающая часть ударника и наковальни может быть выполнена таким образом, чтобы выдаваться не в осевом направлении, а в окружном направлении. Далее выступающие части ударника и наковальни не обязательно должны быть выпуклыми наружу и не обязательно должны образовывать ударяющую поверхность и ударяемую поверхность заданной формы, эти выступающие части могут выдаваться внутрь ударника или наковальни (в виде выемок). Ударяющая поверхность и ударяемая поверхность не обязательно должны быть плоскими, а могут иметь искривленную форму или другие формы, удобные с точки зрения формообразования ударяющей поверхности или ударяемой поверхности.
Второй вариант осуществления изобретения
Далее описывается импульсно-силовая ручная машина, соответствующая второму варианту осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения компоненты, идентичные используемым в первом варианте, обозначены теми же номерами позиций, и их описание не приводится.
Импульсно-силовая ручная машина 1, соответствующая второму варианту осуществления изобретения, имеет по существу ту же конструкцию, что и импульсно-силовая ручная машина 1, соответствующая первому варианту осуществления изобретения. Ударный механизм 40 во втором варианте осуществления изобретения содержит наковальню 46 и ударник 41, как показано на фиг.8 и 9. Сначала приводится описание работы ударного механизма, соответствующего второму варианту осуществления изобретения и содержащего ударник 151 и наковальню 156 в базовой конструкции, показанной на фиг.6.
a1
h1
a2
h2
На фиг.17 показано шесть стадий одного цикла вращательных движений ударника 151 и его взаимодействия с наковальней 156 в показанной на фиг.6 базовой конструкции. Плоскость сечения на фиг.17 перпендикулярна осевому направлению и проходит через ударяющую поверхность 152а (фиг.6). В состоянии, показанном на фиг.17(1), пока воспринимаемый от рабочего инструмента крутящий момент заворачивания мал, наковальня 156 вращается против часовой стрелки, толкаемая ударником 151. Когда же крутящий момент заворачивания возрастет настолько, что дальнейшее вращение наковальни за счет одной лишь толкающей силы со стороны ударника 151 станет невозможным, поскольку ударник 151 упрется в наковальню 156, выполняется реверс двигателя 3 для поворота ударника 151 в обратном (по отношению к направлению заворачивания) направлении по стрелке 161. За счет выполняемого в показанном на чертеже (1) состоянии реверса двигателя 3, сопровождающегося поворотом выступающей части 152 ударника 151 в направлении стрелки 161, и дальнейшего обратного вращения ротора двигателя 3 выступающая часть 152 ударника поворачивается с ускорением в направлении стрелки 162, проходя мимо наружной периферийной стороны выступающей части 158 наковальни, как показано на чертеже (2). Аналогичным образом, наружный диаметр Rвыступающей части 158 наковальни меньше внутреннего диаметра Rвыступающей части 152 ударника, и поэтому эти две выступающие части не сталкиваются друг с другом. Наружный диаметр R выступающей части 157 наковальни меньше внутреннего диаметра R выступающей части 153 ударника, и поэтому эти две выступающие части не сталкиваются друг с другом. При таком взаимном положении выступающих частей ударника и наковальни угол поворота ударника 151 и наковальни 156 относительно друг друга может превышать 180°, что позволяет обеспечить достаточный угол обратного поворота ударника 151 относительно наковальни 156.
При дальнейшем обратном вращении ударника 151 и достижении им показанного на фиг.17(3) положения (положения остановки ударника после его обратного вращения, или отвода), как показано стрелкой 163а, ударяющая поверхность 152b выступающей части 152 ударника сталкивается с ударяемой поверхностью 157b выступающей части 157а наковальни. Это столкновение предусмотрено не для удара по наковальне 156, а для остановки обратного вращения ударника 151 и представляет собой так называемый удар для торможения. Поскольку обратное вращение ударника 151 прекращается таким образом, за счет его столкновения с наковальней в двигатель 3 не нужно подавать ток торможения (управляющий ток привода в направлении нормального вращения).
После столкновения ударника 151 с наковальней 156 начинается вращение ротора двигателя 3 в направлении стрелки 163b (направление нормального вращения). Во втором варианте осуществления изобретения положением остановки обратного вращения ударника 151 становится положение, где ударник столкнулся с наковальней 156, и это положение остановки каждый раз является одинаковым.
Затем ударнику 151 сообщается ускорение, и он, проходя в направлении стрелки 164 через положение, показанное на фиг.17(4), сталкивается в состоянии ускорения ударяющей поверхностью 152а своей выступающей части 152 с ударяемой поверхностью 157а наковальни 156 в положении, показанном на фиг.17(5). В результате этого столкновения наковальне 156 передается высокий момент, и наковальня 156 поворачивается в направлении, показанном стрелкой 166. В положении, показанном на фиг.17(6), как ударник 151, так и наковальня 156 повернулись на заданный угол из положения, показанного на фиг.17(1), а заворачиваемый крепежный элемент затянулся с требуемым крутящим моментом затяжки за счет повторения процесса, начинающегося в состоянии, показанном на фиг.17(1), и заканчивающегося в состоянии, показанном на фиг.17(5).
Как показано выше, импульсно-силовая ручная машина может быть реализована с ударным механизмом, образованным ударником 151 и наковальней 156 в базовой конструкции, за счет использования режима привода с реверсированием двигателя 3 и приведением его ротора в обратное вращение. В случае ударного механизма такой конструкции двигатель также может работать в режиме сверления при соответствующем выборе режима приведения двигателя 3 в действие. Например, в режиме сверления ударник может приводиться во вращение, следуя за наковальней 156, как показано на фиг.17(6), просто за счет вращения ротора двигателя 3 из положения, показанного на фиг.17(5), для вращения ударника 151 в направлении нормального вращения. Таким образом, повторяя эту стадию, можно заворачивать на высокой скорости крепежные элементы, такие как шурупы или болты, имеющие малый крутящий момент затяжки.
Как показано выше, импульсно-силовая ручная машина может быть реализована с простой конструкцией ударного механизма, образованного ударником 151 и наковальней 156, за счет использования режима привода с реверсированием двигателя 3 и приведением его ротора в обратное вращение. В случае ударного механизма такой конструкции двигатель также может работать в режиме сверления при соответствующем выборе режима приведения двигателя 3 в действие. Например, в режиме сверления ударник может приводиться во вращение, следуя за наковальней 156, как показано на фиг.17(6), просто за счет вращения ротора двигателя 3 из положения, показанного на фиг.17(5), для вращения ударника 151 в направлении нормального вращения. Таким образом, повторяя эту стадию, можно заворачивать на высокой скорости крепежные элементы, такие как шурупы или болты, имеющие малый крутящий момент затяжки.
Далее со ссылкой на фиг.18 рассматривается процесс работы ударного механизма, образованного ударником 41 и наковальней 46, показанными на фиг.8 и 9. В основном этот процесс аналогичен рассмотренному на фиг.17, а отличие заключается в том, что во время работы в ударном режиме удары наносятся ударяющими поверхностями не в одном месте, а одновременно в двух местах, расположенных по существу осесимметрично. На фиг.18 показано поперечное сечение плоскостью А-А, показанной на фиг.3. На фиг.18 показано взаимное положение выступающих частей 42 и 43, выдающихся из ударника 41 в осевом направлении, и выступающих частей 47 и 48, выдающихся из наковальни 46 в осевом направлении. Направлением вращения наковальни 47 при заворачивании крепежного элемента (при нормальном вращении) является направление против часовой стрелки.
H2
A1
H1
A2
На фиг.18(1) показано состояние, когда ударник 41 вращается в направлении обратного вращения для достижения максимально отведенного положения относительно наковальни 46 (эквивалентного состоянию, показанному на фиг.17(3)). Из этого состояния ударник 41 ускоряется в направлении стрелки 91 (в направлении нормального вращения), чтобы ударить по наковальне 46. Затем, как показано на фиг.18(2), выступающая часть 42 ударника проходит мимо наружной периферийной стороны выступающей части 48 наковальни, и одновременно выступающая часть 43 ударника проходит мимо внутренней периферийной стороны выступающей части 47 наковальни. Для того чтобы две выступающие части могли проходить мимо друг друга, внутренний диаметр R выступающей части 42 ударника больше наружного диаметра Rвыступающей части 48 наковальни, и поэтому эти выступающие части не сталкиваются друг с другом. Аналогичным образом, наружный диаметр Rвыступающей части 43 ударника меньше внутреннего диаметра Rвыступающей части 47 наковальни, и поэтому эти две выступающие части не сталкиваются друг с другом. При таком взаимном положении выступающих частей ударника и наковальни угол поворота ударника 41 и наковальни 46 относительно друг друга может превышать 180°, что позволяет обеспечить достаточный угол обратного поворота ударника 41 относительно наковальни 46, и этот угол обратного поворота может быть расположен на участке ускорения ударника 41, предшествующего удару ударника 41 по наковальне 46.
H2
H3
H1
A2
A3
A1
Далее, когда ударник 41 вращается в направлении нормального вращения с переходом в состояние, показанное на фиг.18(3), ударяющая поверхность 42а выступающей части 42 ударника сталкивается с ударяемой поверхностью 47а выступающей части 47 наковальни. Одновременно ударяющая поверхность 43а выступающей части 43 ударника сталкивается с ударяемой поверхностью 48а выступающей части 48 наковальни. Благодаря тому, что столкновение выступающих частей ударника и наковальни происходит в двух местах, противоположных друг другу относительно оси вращения, при нанесении ударов достигается хорошая уравновешенность ударника относительно наковальни 46. В результате этих ударов, как показано на фиг.18(4), наковальня 46 поворачивается в направлении стрелки 94, и за счет этого поворота происходит заворачивание крепежного элемента. Ударник 41 имеет выступающую часть 42, которая является одиночным выступом на своем радиальном уровне (ограниченном изнутри радиусом R и снаружи радиусом R), и выступающую часть 43, которая является третьим одиночным выступом на своем радиальном уровне (ограниченном снаружи радиусом R). Наковальня 46 имеет выступающую часть 47, которая является одиночным выступом на своем радиальном уровне (ограниченном изнутри радиусом R и снаружи радиусом R), и выступающую часть 48, которая является одиночным выступом на своем радиальном уровне (ограниченном снаружи радиусом R).
Далее рассматривается способ управления работой импульсно-силовой ручной машины 1, соответствующей второму варианту осуществления изобретения. У импульсно-силовой ручной машины 1, соответствующей второму варианту осуществления изобретения, наковальня 46 и ударник 41 выполнены с возможностью их поворота относительно друг друга на угол менее 360°. Поскольку ударник 41 не может повернуться относительно наковальни 46 более чем на один оборот, управление вращением также является однозначно определяемым по угловому положению в пределах оборота. На фиг.19 показаны: пусковой сигнал во время работы импульсно-силовой ручной машины 1, управляющий сигнал на выходе инверторной схемы, скорость вращения ротора двигателя 3 и сила удара, наносимого ударником 41 по наковальне 46. По оси абсцисс для соответствующих графиков отложено время (все графики приведены в едином масштабе времени).
1
2
2
В импульсно-силовой ручной машине 1, соответствующей второму варианту осуществления изобретения, в случае заворачивания крепежного элемента в ударном режиме вначале заворачивание крепежного элемента выполняется на высокой скорости в режиме сверления, затем, если обнаружено, что потребный крутящий момент стал большим, заворачивание крепежного элемента продолжается путем переключения на ударный, или импульсный, режим (1), а если потребный крутящий момент стал еще больше, то заворачивание крепежного элемента выполняется путем переключения на ударный режим (2). В режиме сверления, длящемся от момента времени t до момента времени Т, показанных на фиг.19, блок 50 управления управляет двигателем 3 на основании заданной частоты вращения. Поэтому двигатель 3 ускоряется, пока его ротор не достигнет заданной частоты вращения, показанной стрелкой 2085а. После этого скорость вращения ротора двигателя 3, из-за нарастания силы реакции, действующей со стороны присоединенного к наковальне 46 рабочего инструмента, постепенно уменьшается до уровня, обозначенного стрелкой 2085b. Таким образом, уменьшение скорости вращения выявляется путем регистрации значения тока, подаваемого в двигатель 3, и в момент времени Т выполняется переключение вращательного привода в импульсный режим (1).
2
21
21
3
3
31
31
4
Импульсный режим (1) - это режим, в котором двигатель 3 приводится в действие не непрерывно, а прерывисто, и приводится в действие импульсами, с многократным повторением последовательности "пауза → приведение в нормальное вращение". Выражение "приводится в действие импульсами" означает здесь управление приводом посредством импульсной подачи отпирающего сигнала в инверторную схему 52 и, соответственно, импульсной подачи в двигатель 3 управляющего тока, вызывающей импульсные изменения частоты вращения или крутящего момента на валу двигателя 3. Такая пульсация создается повторением цикла включения/отключения управляющего тока с большим периодом (например, с частотой, примерно составляющей от нескольких десятков герц до ста и нескольких десятков герц), например, путем отключения подаваемого в двигатель управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени t (пауза), включения управляющего тока для приведения двигателя в действие в период с момента времени T до момента времени Т (привод), отключения управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени Т (пауза) и включения управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени Т. Хотя для управления частотой вращения ротора двигателя 3 при включенной подаче управляющего тока выполняется ШИМ-управление, период пульсации тока достаточно мал по сравнению с периодом (обычно несколько килогерц) управления посредством коэффициента заполнения импульсов.
2
В показанном на фиг.19 примере после того как в момент времени Тподача управляющего тока в двигатель 3 была приостановлена на заданный период времени, а скорость вращения ротора двигателя 3 уменьшилась до уровня, обозначенного стрелкой 2086а, блок управления 51 (см. фиг.5) посылает управляющий сигнал 2083а в схему 53 вывода управляющих сигналов, тем самым обеспечивая подачу в двигатель 3 пульсирующего управляющего тока (управляющего импульса) для ускорения двигателя. Такое управление двигателем во время его ускорения означает подачу импульсов не обязательно при коэффициенте заполнения импульсов 100%, но и при коэффициенте заполнения импульсов, меньшем 100%. Затем поступает показанный стрелкой 2088а сигнал силы удара, проходящий в результате сильного столкновения ударника 41 с наковальней 46 при скорости, показанной стрелкой 2085с. При поступлении сигнала силы удара подача управляющего тока в двигатель 3 приостанавливается на заданный период времени, и скорость вращения ротора двигателя уменьшается снова до уровня, обозначенного стрелкой 2086с. После этого блок управления 51 посылает в схему 53 вывода управляющих сигналов управляющий сигнал 2083b, тем самым ускоряя двигатель 3. Затем поступает показанный стрелкой 2088b сигнал силы удара, проходящий в результате сильного столкновения ударника 41 с наковальней 46 при скорости, показанной стрелкой 2086d. В импульсном режиме (1) описанная выше последовательность "пауза → приведение в нормальное вращение" для реализации прерывистого приведения двигателя 3 в действие повторяется один или несколько раз. Если обнаружено, что для заворачивания крепежного элемента требуется еще более высокий крутящий момент, выполняется переключение вращательного привода в импульсный режим (2). Определение того, необходим ли для заворачивания крепежного элемента еще более высокий крутящий момент, может осуществляться, например, по частоте вращения ротора двигателя 3 до или после соответствующего стрелке 2086d момента времени, когда поступает сигнал силы удара, показанный стрелкой 2088b.
Хотя импульсный режим (2) также предусматривает прерывистое приведение двигателя 3 в действие, т.е. приведение в движение импульсами, аналогично импульсному режиму (1), в этом случае двигатель приводится в действие путем многократного повторения иной последовательности, а именно: "пауза → приведение в обратное вращение → пауза (остановка) → приведение в нормальное вращение". То есть при работе ручной машины в импульсном режиме (2) для сообщения ротору двигателя 3 не только нормального вращения, но и обратного вращения ударник 41 ускоряется в направлении нормального вращения, чтобы сильно столкнуться с наковальней 46, лишь после поворота ударника 41 в направлении обратного вращения на достаточное угловое расстояние относительно наковальни 46. Подобная схема сообщения ударнику 41 движения позволяет создавать на наковальне 46 высокий крутящий момент заворачивания крепежного элемента. В третьем варианте осуществления изобретения остановка обратного вращения ротора двигателя 3 после его реверсирования (в районе стрелок 2087b и 2087f на фиг.19), замедления двигателя 3 и его остановки путем подачи в двигатель 3 тока нормального вращения не предусмотрено, а двигатель 3 замедляется и останавливается за счет столкновения ударника 41 с наковальней 46.
В примере, показанном на фиг.19, когда в момент времени 14 выполняется переключение в импульсный режим (2), приведение двигателя 3 в действие временно останавливается, а затем ротор двигателя 3 начинает вращаться в направлении обратного вращения за счет посылки в схему 53 вывода управляющих сигналов управляющего сигнала 2084а в отрицательном направлении. При выполнении нормального вращения или обратного вращения это нормальное или обратное вращение реализуется путем смены формы каждого управляющего сигнала (сигнал включения/отключения питания двигателя), выдаваемого схемой 53 вывода управляющих сигналов в каждый из переключающих элементов Q1-Q6. Если ротор двигателя 3 повернулся в направлении обратного вращения на заданный угол, подача управляющего тока в двигатель 3 временно прекращается с последующим началом приведения ротора двигателя в нормальное вращение. Для этого в схему 53 вывода управляющих сигналов посылается управляющий сигнал 2084b в положительном направлении. В случае вращательного привода с помощью инверторной схемы 52 управляющий сигнал не переключается на плюсовую или минусовую сторону. Управляющий сигнал классифицируется как действующий в направлении "плюс" или "минус" и схематически представлен на фиг.19, что обеспечивает простоту понимания того, вращается ли ротор двигателя, и если да, то в каком направлении.
Ударник 41 сталкивается с наковальней 46 в момент времени, когда скорость вращения ротора двигателя 3 достигла максимального значения (стрелка 2087с). В результате этого столкновения создается крутящий момент 2088d на заворачивание крепежного элемента, значительно более высокий, чем крутящие моменты 2088а, 2088b, создаваемые в импульсном режиме (1). При подобном столкновении частота вращения ротора двигателя 3 уменьшается с уровня, обозначенного стрелкой 2087с, до уровня, обозначенного стрелкой 2087d. Кроме того, в момент обнаружения обозначенного стрелкой 2088d столкновения ударника с наковальней управление двигателем может предусматривать прекращение подачи управляющего сигнала в двигатель 3. В этом случае, если крепежным элементом является болт, гайка и т.д., уменьшается отдача от удара, передаваемая на руку пользователя. Если же во втором варианте осуществления изобретения управляющий ток подается в двигатель 3 даже после столкновения ударника с наковальней, ощущаемая пользователем сила реакции мала по сравнению с режимом сверления и подходит для работы в условиях средней нагрузки. Таким образом, скорость заворачивания крепежного элемента может быть увеличена, а потребление энергии может быть снижено по сравнению с мощным импульсным режимом. После этого аналогичным образом выполняется заворачивание крепежного элемента высоким крутящим моментом, для чего заданное количество раз повторяется последовательность "пауза → приведение в обратное вращение → пауза (остановка) → приведение в нормальное вращение". Поскольку ударник бьет по наковальне 46 в противоположном направлении, завершая обратное вращение, крутящий момент, создаваемый при ударе в этом противоположном направлении, невелик, как показано стрелками 2088с и 2088е. Поскольку создаваемый при ударе крутящий момент пропорционален квадрату частоты вращения в момент столкновения, этот крутящий момент, действующий в противоположном направлении, достаточно мал по сравнению с крутящим моментом (стрелки 2088d и 2088f), создаваемым в направлении нормального вращения, и не оказывает неблагоприятного влияния на процесс заворачивания крепежного элемента. При отпускании оператором в момент времени Т7 клавиши пускового выключателя двигатель 3 останавливается, и операция по заворачиванию крепежного элемента завершается. Помимо снятия оператором управляющего воздействия с пускового выключателя, двигатель 3 также может быть остановлен в случае, если вычислительное устройство 51 по выходному сигналу датчика 56 силы удара (см. фиг.5) определит, что заворачивание крепежного элемента завершено с заданным крутящим моментом затяжки.
Как указано выше, во втором варианте осуществления изобретения в начальной стадии заворачивания крепежного элемента, когда для этого требуется лишь небольшой крутящий момент, вращательный привод работает в режиме сверления, затем при увеличении потребного крутящего момента заворачивание крепежного элемента выполняется в ударном режиме (1) путем прерывистого приведения ротора двигателя во вращение только в направлении нормального вращения, и в заключительной стадии заворачивания ручная машина работает в ударном режиме (2) с прерывистым приведением двигателя 3 в действие в направлениях нормального и обратного вращения. Кроме того, заворачивание крепежного элемента может выполняться с использованием ударного режима (1) и ударного режима (2). Также можно использовать управляющее воздействие для перевода машины из режима сверления сразу в ударный режим (2), минуя ударный режим (1). Поскольку в ударном режиме (2) ротор двигателя попеременно вращается в направлениях нормального и обратного вращения, скорость заворачивания крепежного элемента становится значительно меньшей, чем в режиме сверления или в ударном режиме (1). Когда скорость заворачивания крепежного элемента таким образом резко уменьшается, у оператора при переходе ручной машины в ударный режим возникает сильное, по сравнению с импульсно-силовой ручной машиной, имеющей обычный ударно-вращательный механизм, ощущение дискомфорта. Таким образом, при переходе из режима сверления в ударный режим (2) наличие между ними промежуточного ударного режима (1) позволяет сделать тактильные ощущения пользователя естественными. Например, как можно дольше заворачивая крепежный элемент в режиме сверления или в ударном режиме (1), можно обеспечить сокращение длительности операции заворачивания крепежного элемента.
Далее со ссылкой на фиг.20-24 описывается процесс управления импульсно-силовой ручной машиной 1 во втором варианте осуществления изобретения. На фиг.20 показана блок-схема алгоритма управления импульсно-силовой ручной машиной 1, соответствующей второму варианту осуществления изобретения. До начала пользователем работы импульсно-силовая ручная машина 1 определяет (шаг 2101), выбран ли посредством переключателя 32 ударный режим (см. фиг.2). Если ударный режим выбран, процесс управления переходит к шагу 2102, а если ударный режим не выбран, т.е. в случае выбора обычного режима сверления, процесс управления переходит к шагу 2110.
В ударном (импульсном) режиме вычислительное устройство 51 определяет, включен ли пусковой выключатель 8. Если пусковой выключатель включен (клавиша 8а нажата), как показано на фиг.19, двигатель 3 запускается в режиме сверления (шаг 2103), и в соответствии со степенью нажатия клавиши 8а пускового выключателя начинается ШИМ-управление инверторной схемой 52 (шаг 2104). Затем вращение ротора двигателя 3 ускоряется с одновременным контролем подаваемого в двигатель 3 пикового тока на предмет непревышения им верхнего предела р. Далее по истечении заданного времени (t миллисекунд) после пуска двигателя посредством выходного сигнала схемы 59 регистрации тока (см. фиг.5) регистрируется значение I тока, подаваемого в двигатель 3 (шаг 2106). Если зарегистрированное значение I тока не превышает заданного значения (р1 ампер), процесс возвращается к шагу 2104, а если значение тока превысило заданное значение (р1 ампер), процесс переходит к шагу 2108 (шаг 2107). Затем определяется (шаг 2108), превышает ли зарегистрированное значение I тока второе заданное значение (р2 ампер).
Если на шаге 2108 зарегистрированное значение I тока не превышает р2 ампер, т.е. если выполнено условие р1<I<р2, процесс управления после выполнения алгоритма импульсного режима (1), показанного на фиг.22, переходит к шагу 2109 (шаг 2120). Если же зарегистрированное значение I тока превышает р2 ампер, процесс управления переходит к шагу 2109 сразу, без выполнения алгоритма импульсного режима (1). На шаге 2109 определяется, находится ли пусковой выключатель 8 во включенном состоянии. Если пусковой выключатель выключен, процесс управления возвращается к шагу 2101. Если же пусковой выключатель остается включенным, процесс управления возвращается к шагу 2101 после выполнения алгоритма импульсного режима (2), показанного на фиг.24.
Если на шаге 2101 выбран режим сверления, выполняется этот режим сверления (шаг 2110), причем управление двигателем в режиме сверления осуществляется таким же образом, что и управление на шагах 2102-2107. Затем при регистрации управляющего тока, вызывающего срабатывание электронной предохранительной муфты, или состояния перегрузки по току, непосредственно предшествующего блокировке двигателя 3, в качестве тока р1 на шаге 2107, с соответствующей остановкой двигателя 3 (шаг 2111), работа в режиме сверления завершается, и процесс управления возвращается к шагу 2101.
A
Ниже со ссылкой на фиг.21 описывается процесс переключения режимов, происходящий на шагах 2107 и 2108. На верхних графиках показано изменение частоты вращения ротора двигателя 3 с течением времени, а на нижних графиках показано изменение значения подаваемого в двигатель 3 тока с течением времени, причем верхние и нижние графики выполнены в едином масштабе времени. Как показано на левых графиках, при нажатии на клавишу пускового выключателя в момент времени Т (эквивалентном шагу 2102 на фиг.20) двигатель 3 запускается и ускоряется, как показано стрелкой 2113а. Во время этого ускорения выполняется стабилизация тока с ограничением тока максимальным значением р, как показано стрелкой 2114а. Когда частота вращения ротора двигателя 3 достигла заданного значения (стрелка 2113b), ток, стабилизированный во время ускорения, начинает вести себя обычным образом, как показано стрелкой 2114b. Соответственно, значение тока уменьшается. После этого при увеличении силы реакции, воспринимаемой от крепежного элемента, такого как шуруп, болт и т.д., по мере его заворачивания, частота вращения ротора двигателя 3 постепенно уменьшается, как показано стрелкой 2113с, а значение подаваемого в двигатель 3 тока увеличивается. Затем по истечении t миллисекунд после пуска двигателя 3 определяется значение тока. Если выполнено условие р1<I<р2, как показано стрелкой 2114с, процесс на шаге 2120 переходит на управление двигателем в импульсном режиме (1), рассматриваемом ниже.
В
Как показано на правых графиках, при нажатии на клавишу пускового выключателя в момент времени Т (эквивалентном шагу 2102 на фиг.20) двигатель 3 запускается и ускоряется, как показано стрелкой 2115а. Во время этого ускорения выполняется стабилизация тока с ограничением тока максимальным значением р, как показано стрелкой 2116а. Когда частота вращения ротора двигателя 3 достигает заданного значения (стрелка 2115b), ток во время ускорения начинает вести себя обычным образом, как показано стрелкой 2116b. Таким образом, значение тока уменьшается. После этого, при увеличении силы реакции, воспринимаемой от крепежного элемента, такого как шуруп, болт и т.д., по мере его заворачивания, частота вращения ротора двигателя 3 постепенно уменьшается, как показано стрелкой 2115с, а значение подаваемого в двигатель 3 тока увеличивается. В данном примере сила реакции, воспринимаемая от крепежного элемента, увеличилась быстро. Таким образом, как показано стрелкой 2115с, частота вращения ротора двигателя 3 сильно уменьшается, а интенсивность нарастания значения тока велика. Тогда, поскольку значение тока по истечении t миллисекунд с момента пуска двигателя 3 удовлетворяет условию р2<I, как показано стрелкой 2116с, процесс на шаге 2140 переходит на управление двигателем в импульсном режиме (2), рассматриваемом ниже со ссылкой на фиг.24.
Обычно при заворачивании шурупа, болта и т.п. предполагается, что крутящий момент его затяжки часто непостоянен из-за отклонений от номинальной точности механической обработки подобного крепежного элемента (шурупа или болта), состояния затягиваемого крепежного элемента, изменчивости свойств материала, таких как сучковатость, структура дерева и т.д. Поэтому крепежный элемент может быть затянут одним ударом непосредственно перед завершением процесса заворачивания, выполняемого только в режиме сверления. В подобном случае, при пропуске заворачивания в ударном режиме (1) и переключении на заворачивание в режиме сверления (2) с более высоким крутящим моментом затяжки, операция заворачивания крепежного элемента может быть эффективно завершена за короткое время.
1n
1n
1n
2n
1n
2n
2n
1n
2n
1(n+1)
2n
th
th
th
Далее со ссылкой на фиг.22 описывается алгоритм управления импульсно-силовой ручной машиной в импульсном режиме (1). Если процесс управления ручной машиной переключился в импульсный режим (1), то сначала, по истечении заданного периода паузы, пиковый ток ограничивается таким образом, чтобы он был меньше или равен предельному значению р3 ампер (шаг 2121), а ротор двигателя 3 в течение заданного периода времени, т.е. Т миллисекунд, приводится во вращение путем подачи в двигатель тока нормального вращения (шаг 2122). Затем по истечении времени Т миллисекунд регистрируется частота вращения N [об/мин] ротора двигателя 3 (n=1, 2,…) (шаг 2123). Далее подаваемый в двигатель 3 управляющий ток отключается, и измеряется время t, прошедшее до понижения частоты вращения ротора двигателя 3 от N до N (=N/2). Затем получают значение времени t, определяемое как t=X-t, в течение этого времени t в двигатель 3 подается ток нормального вращения (шаг 2126), и пиковый ток удерживается меньшим или равным р3 ампер с обеспечением ускорения ротора двигателя 3. Затем для переключения в импульсный режим (2) определяется, является ли частота вращения N ротора двигателя 3 по истечении времени t меньшей или равной пороговой частоте вращения R. Если частота вращения ротора двигателя меньше или равна значению R, алгоритм управления в импульсном режиме (1) завершается, и процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 2120, показанному на фиг.20, а если частота вращения ротора двигателя больше или равна R, процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 2124 (шаг 2128).
1
11
21
21
11
11
21
2n
2n
1n
th
На фиг.23 показаны изменение частоты вращения ротора двигателя 3 с течением времени и изменение значения подаваемого в двигатель 3 тока с течением времени при выполнении алгоритма управления, показанного на фиг.22. Сначала в течение отрезка времени Т в двигатель 3 подается управляющий ток 2132. Поскольку подача управляющего тока осуществляется с ограничением пикового тока таким образом, чтобы тот был меньше или равен р3 ампер, ток во время ускорения ограничивается, как показано стрелкой 2132а, а затем значение тока уменьшается, как показано стрелкой 2132b, в то время как частота вращения ротора двигателя 3 увеличивается. В момент времени t, когда в результате соответствующего измерения установлено, что частота вращения ротора двигателя 3 достигла значения n, вычисляется частота вращения N, с которой начнется вращение ротора двигателя 3, для чего используется выражение N=N/2. Частота вращения n составляет, например, 10000 об/мин. После того как частота вращения ротора двигателя 3 уменьшилась до значения N, в двигатель подается управляющий ток 2133, и двигатель 3 ускоряется снова. Время t, в течение которого происходит подача управляющего тока 2133, определяется по выражению t=X-t. Аналогично, хотя в циклах 2Х и 3Х управление осуществляется так же, с увеличением силы реакции (противодействия, или сопротивления, заворачиванию) интенсивность повышения частоты вращения ротора двигателя 3 уменьшается, и в момент времени 4Х частота вращения N14 станет меньшей или равной пороговой частоте вращения R. В этот момент времени выполнение импульсного режима (1) завершается, и процесс управления переключается на импульсный режим (2).
Далее со ссылкой на фиг.24 описывается алгоритм управления импульсно-силовой ручной машиной в импульсном режиме (2). Сначала отключается подаваемый в двигатель 3 управляющий ток, и система управления двигателем находится в состоянии ожидания (шаг 2141). Если во время ожидания частота вращения ротора двигателя уменьшилась до значения, меньшего или равного 5000 об/мин, в двигатель 3 подается ток обратного вращения для раскрутки его ротора до частоты вращения -3000 об/мин (шаг 2142). Здесь частота вращения ротора двигателя 3 определяется посредством выходного сигнала датчика 58 углового положения. Знак "минус" означает здесь, что ротор двигателя 3 в этом случае вращается в направлении, обратном направлению рабочего вращения с частотой 3000 об/мин. Далее, если частота вращения ротора двигателя 3 достигла -3000 об/мин, подаваемый в двигатель 3 ток отключается, и система управления двигателем переводится в состояние ожидания (шаги 2143 и 2144). При отключении тока ротор двигателя 3 продолжает вращаться по инерции, и ударник 41 сталкивается с наковальней 46. Это столкновение происходит при вращении ударника в направлении, противоположном рабочему направлению вращения (направлению вращения при заворачивании крепежного элемента), с частотой вращения, не превышающей 3000 об/мин и достаточно малой по сравнению с частотой вращения (10000 об/мин) при столкновении ударника с наковальней в рабочем направлении (направление нормального вращения), и хотя удар в указанном противоположном направлении противодействует рабочему процессу, сила удара в этом направлении достаточно мала, и выворачивания заворачиваемых крепежных элементов, таких как шуруп или саморез, не происходит. Поскольку двигатель 3, который был реверсирован без потребления тока, может быть остановлен при обратном вращении ротора двигателя 3 таким образом за счет столкновения ударника 41 с наковальней 46, может быть достигнута значительная экономия потребляемой электроэнергии.
Затем при подтверждении того, что двигатель 3 остановился, включается подача тока нормального вращения для приведения ротора двигателя 3 в нормальное вращение (шаги 2147 и 2148). Остановка вращения ротора двигателя 3 может регистрироваться посредством выходного сигнала датчика 58 углового положения и выходного сигнала датчика 56 силы удара. Когда ток нормального вращения включен, двигатель 3 ускоряется до частоты вращения 10000 об/мин, и при этой частоте вращения ударник 41 сталкивается с наковальней 46. Таким образом, заворачивание выполняется за счет выходного крутящего момента двигателя 3 и инерции движения двигателя 3 и ударника 41 (шаг 2149). Затем по истечении заданного времени с момента включения тока нормального вращения подаваемый в двигатель 3 ток отключается (шаг 2150). Это время предпочтительно задавать с таким расчетом, чтобы оно истекало после нанесения удара.
Затем определяется, остается ли пусковой выключатель во включенном состоянии, т.е. при нажатой клавише. Если пусковой выключатель находится в выключенном состоянии, вращение ротора двигателя 3 прекращается, выполнение алгоритма управления в импульсном режиме (2) завершается, и процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 2140, показанному на фиг.20 (шаг 2151). Если пусковой выключатель 8 находится во включенном состоянии, процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 2141 (шаг 2151).
Кроме того, на шаге 2146 удар по наковальне во время обратного вращения ударника может быть смягчен за счет подачи тока нормального вращения непосредственно перед столкновением ударника и наковальни во время обратного вращения ударника, что обеспечивает, хотя и небольшое, но торможение для уменьшения частоты вращения, за счет создания момента, противодействующего вращению ротора двигателя, непосредственно перед столкновением.
Как указано выше, во втором варианте осуществления изобретения крепежный элемент может эффективно заворачиваться импульсно-силовой ручной машиной, имеющей двигатель, а также ударник и наковальню, установленные с возможностью поворота относительно друг друга менее чем на один оборот, в режимах непрерывного вращения, прерывистого вращения только в направлении нормального вращения и прерывистого вращения в направлениях нормального вращения и обратного вращения. Поскольку форма ударника и наковальни может быть реализована в простой конструкции, изобретением достигается миниатюризация импульсно-силовой ручной машины и ее удешевление. Поскольку для остановки двигателя в состоянии обратного вращения его ротора не требуется подавать большой ток нормального вращения и двигатель эффективно останавливается за короткое время за счет энергии удара, уменьшается количество потребляемой энергии. Поскольку ударник в состоянии обратного вращения вращается до столкновения с наковальней, уменьшается погрешность исходного положения, в котором начинается ускорение нормального вращения ударника, и разброс значений силы удара невелик.
Возможности осуществления изобретения не ограничиваются описанным выше вариантом. Например, хотя в качестве примера двигателя был приведен бесщеточный электрический двигатель постоянного тока, изобретение допускает использование других видов двигателей, которые могут приводиться в действие в направлениях нормального и обратного вращения.
Далее наковальня и ударник могут иметь любую подходящую форму. Необходимо лишь конструктивными мерами исключить возможность непрерывного вращения наковальни и ударника относительно друг друга (возможность их вращения с обгоном друг друга), обеспечить заданный угол их поворота относительно друг друга, меньший 360°, и сформировать на ударнике ударяющую поверхность, а на наковальне - ударяемую поверхность. Например, выступающая часть ударника и наковальни может быть выполнена таким образом, чтобы выдаваться не в осевом направлении, а в окружном направлении. Далее выступающие части ударника и наковальни не обязательно должны быть выпуклыми наружу и не обязательно должны образовывать ударяющую поверхность и ударяемую поверхность заданной формы, эти выступающие части могут выдаваться внутрь ударника или наковальни (в виде выемок). Ударяющая поверхность и ударяемая поверхность не обязательно должны быть плоскими, а могут иметь искривленную форму или другие формы, удобные с точки зрения формообразования ударяющей поверхности или ударяемой поверхности.
Третий вариант осуществления изобретения
Далее описывается импульсно-силовая ручная машина, соответствующая третьему варианту осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения компоненты, идентичные используемым в первом варианте, обозначены теми же номерами позиций, и их описание не приводится.
На фиг.25 предлагаемая в изобретении импульсно-силовая ручная машина изображена в продольном разрезе. Импульсно-силовая ручная машина 1, соответствующая третьему варианту осуществления изобретения, почти идентична импульсно-силовой ручной машине 1 в первом варианте. Третий вариант осуществления изобретения отличается от первого тем, что спереди к переключателю 14 направления вращения присоединен выступ 13, а ударный механизм 40 включает в себя наковальню 46, ударник 41 и храповое колесо 4.
Храповое колесо 4 установлено сзади ударника 41 и обеспечивает торможение ударника 41 во время его обратного вращения. Внешне импульсно-силовая ручная машина, соответствующая третьему варианту осуществления изобретения, по существу идентична импульсно-силовой ручной машине, соответствующей первому варианту осуществления изобретения.
На фиг.26 приведен местный вид в увеличенном масштабе показанного на фиг.25 ударного механизма 40 и его окружения. Редуктор 21 выполнен в виде планетарного редуктора. К концу вала 19 двигателя 3 присоединено солнечное зубчатое колесо 21а, действующее таким образом в качестве ведущего (входного) звена планетарного механизма, а внутри кольцевого зубчатого колеса 21d, зафиксированного на основной части 6а корпуса, вращаются несколько сателлитов 21b. Оси 21с сателлитов 21b неподвижно связаны между собой ударником 41, действующим в качестве водила. Ударник 41, являясь ведомым (выходным) звеном планетарного редуктора 21, вращается в том же направлении, что и вал двигателя 3, с понижением скорости относительно вала двигателя соответственно установленному передаточному числу редуктора. Установка передаточного числа редуктора на определенное значение задается исходя из таких факторов, как тип заворачиваемого крепежного элемента (шуруп/саморез или болт), выходная мощность двигателя 3 и требуемый крутящий момент затяжки. В третьем варианте осуществления изобретения передаточное число редуктора задано с таким расчетом, чтобы частота вращения ударника 41 составляла примерно от 1/8 до 1/15 частоты вращения ротора двигателя 3.
Спереди от сателлита 21b расположено храповое колесо 4 кольцевой формы. Храповое колесо 4 действует в качестве механизма торможения движения ударника 41 и расположено с наружной периферийной стороны цилиндрической части ударника 41, действующей в качестве водила планетарного редуктора. Хотя храповое колесо 4 установлено с возможностью вращения таким образом, чтобы во время нормального вращения следовать за ударником 41, во время обратного вращения ударник 41 поворачивается относительно наковальни 46 на 120°. Подробно конструкция храпового колеса 4 описывается ниже. Внутри основной части 6а корпуса с внутренней периферийной стороны двух приливов 20 под винты предусмотрен внутренний корпус 22. Внутренний корпус 22 изготовлен цельным путем формования из синтетической смолы, такой как пластмасса. С задней стороны внутреннего корпуса выполнена цилиндрическая часть, удерживающая подшипник 17а, в котором с возможностью вращения установлен вал 19 двигателя 3. С передней стороны внутреннего корпуса 22 предусмотрена ступенчатая цилиндрическая часть, имеющая два различных диаметра. На участке меньшего диаметра расположен шариковый подшипник 16b, а на участке большего диаметра в ступенчатую цилиндрическую часть вставлена спереди часть кольцевого зубчатого колеса 21d. Поскольку кольцевое зубчатое колесо 21d установлено на внутреннем корпусе 22 с фиксацией от проворачивания, а внутренний корпус 22 сам прикреплен к основной части 6а корпуса 6 с фиксацией от проворачивания относительно него, кольцевое зубчатое колесо 21d зафиксировано в окружном направлении. Наружная периферийная часть кольцевого зубчатого колеса 21d имеет выступ, в основном определяющий наружный диаметр, и между этим выступом и внутренним корпусом 22 установлено уплотнительное кольцо 23 круглого сечения. На вращающиеся части ударника 41 и наковальни 46 нанесена смазка (не показана), а уплотнительное кольцо 23 круглого сечения обеспечивает уплотнение зазора, чтобы смазка не просачивалась в сторону внутреннего корпуса 22.
В третьем варианте осуществления изобретения ударник 41 действует в качестве водила, удерживающего оси 21 с сателлитов 21b. Таким образом, задний конец ударника 41 проходит до внутренней периферийной стороны подшипника 16b. Задняя внутренняя периферийная часть ударника 41 расположена в цилиндрическом внутреннем пространстве, вмещающем в себя солнечное зубчатое колесо 21а, закрепленное на валу 19 двигателя 3. Спереди ударника 41 вокруг его центральной оси выполнена соединительная ось 41а, выступающая вперед в осевом направлении, и эта соединительная ось 41а входит в цилиндрическую соединительную выемку 46f, выполненную сзади наковальни 46 вокруг ее центральной оси. Соединительная ось 41а и соединительная выемка 46f сопряжены друг с другом по скользящей посадке с возможностью их вращения относительно друг друга.
Далее со ссылкой на фиг.27 и 28 подробно рассматривается конструкция ударного механизма 40. На фиг.27 показан ударный механизм 40 в третьем варианте осуществления изобретения. Ударник 41 выполнен с набором выступающих частей, т.е. выступающей частью 42 и выступающей частью 43, выдающимися вперед в осевом направлении из цилиндрической основной части 41b корпуса ударника. Также ударник выполнен с выступающей частью 45, выдающейся из цилиндрической основной части 41b корпуса ударника в осевом направлении назад. Хотя выступающая часть 45 ударника выполнена в том же угловом положении, что и выступающая часть 42 ударника, ширина выступающей части 45, измеряемая в окружном направлении, меньше аналогичной ширины выступающей части 42.
Спереди по центру основной части 41b корпуса ударника выполнена соединительная ось 41а, входящая в соединительную выемку (не показан), выполненную сзади наковальни 46, в результате чего ударник 41 и наковальня 46 соединены между собой с возможностью вращения относительно друг друга на заданный угол, меньший одного оборота (меньший 360°). Выступающая часть 42 ударника действует в качестве кулачка и имеет плоские ударяющие поверхности 42а и 42b, выполненные с обеих сторон в окружном направлении. Выступающая часть 43 ударника служит для уравновешивания выступающих частей 42, 45 ударника при вращении. Поскольку выступающая часть 43 действует в качестве противовеса для обеспечения балансировки ударника, она не имеет ударяющей поверхности. С задней стороны основной части 41b корпуса ударника выполнена цилиндрическая часть 44, окружающая своей внутренней периферийной стороной центральную ось ударника. Поскольку цилиндрическая часть 44 выполнена с возможностью размещения в ней сателлитов 21b планетарного редуктора 21, хотя эта особенность цилиндрической части на чертеже не отражена и в описании отдельно не рассматривается, в ней предусмотрено пространство для размещения сателлитов 21b и сквозные отверстия под оси 21с сателлитов.
Наковальня 46 выполнена с гнездом 46а, предназначенным для установки рабочего инструмента со стороны переднего торца цилиндрической основной части 46b корпуса наковальни, а с задней стороны основной части 46b корпуса наковальни выполнены две выступающие части 47 и 48, выдающиеся из основной части 46b корпуса наковальни радиально наружу. Выступающая часть 47 наковальни представляет собой кулачок, имеющий ударяемые поверхности 47а и 47b, а выступающая часть 48 наковальни представляет собой противовес и не имеет ударяемой поверхности. Поскольку выступающая часть 47 наковальни рассчитана на то, чтобы сталкиваться с выступающей частью 42 ударника, ее наружный диаметр равен наружному диаметру выступающей части 42 ударника. Вместе с тем, поскольку обе выступающие части 43 и 48 выполнены лишь в качестве противовесов и не должны сталкиваться с какими бы то ни было деталями, важно, чтобы эти выступающие части были расположены и выполнены таких размеров, чтобы не задевать друг друга. Для того чтобы задать угол поворота ударника 41 и наковальни 46 относительно друг друга (максимум менее одного оборота), выступающие части 43 и 48 выполнены с малой радиальной толщиной для увеличения их окружной протяженности с целью уравновешивания выступающих частей соответственно 42 и 47 во время вращения.
У храпового колеса 4, на заднем - глядя в осевом направлении - участке выполнен зубчатый венец 4с, а спереди - дугообразный участок 4d, имеющий форму кольца с разрывом и по осевой толщине сравнимый с зубчатым венцом 4с. Этот дугообразный участок 4d тянется в окружном направлении примерно на 240°, остальные 120° приходятся на вырез, ограниченный двумя контактными поверхностями 4а и 4b дугообразного участка, расположенными на обоих концах этого участка храпового колеса. Контактные поверхности 4а и 4b храпового колеса упираются в контактные поверхности 45а и 45b выступающей части 45 ударника 41. Когда контактная поверхность 4а храпового колеса, находящаяся со стороны нормального вращения, прилегает к контактной поверхности 45а выступающей части 45 ударника, храповое колесо 4 приводится в нормальное вращение синхронно с ударником 41. Аналогичным образом, когда контактная поверхность 4b храпового колеса, находящаяся со стороны обратного вращения, прилегает к контактной поверхности 45b выступающей части 45 ударника, храповое колесо 4 может приводиться в направлении обратного вращения. Снизу от храпового колеса 4 расположен стопорный кулачок 27, поджимаемый двумя пружинами 28а и 28b, представляющими собой пружины кручения. Исходное положение стопорного кулачка 27 задается выступом 13, присоединенным к переключателю 14 направления вращения.
На фиг.28 приведен вид сзади храпового колеса 4 в третьем варианте осуществления изобретения. Стопорный кулачок 27, расположенный снизу от зубчатого венца 4с храпового колеса 4 установлен подобно коромыслу с возможностью поворота на оси 29 в пределах небольшого угла. Ось 29 зафиксирована на основной части 6а корпуса 6. При смещении переключателя 14 направления вращения в положение нормального вращения (в направлении стрелки 66), выступ 13 перемещается влево, пружина 28а сжимается выступом 13, стопорный кулачок 27 поворачивается в направлении стрелки 67 силой упругости сжатой пружины 28а и собачка 27а (первая собачка) стопорного кулачка 27 входит в зацепление с зубчатым венцом 4с храпового колеса. Поскольку собачка 27а стопорного кулачка 27 находится в зацеплении с зубчатым венцом 4с храпового колеса, поворот храпового колеса 4 в направлении стрелки 68 ограничен. Если же в показанном на фиг.28 состоянии храповое колесо 4 будет вращаться в направлении, противоположном направлению стрелки 68, взаимодействие собачки 27а стопорного кулачка 27 и зубчатого венца 4с храпового колеса, определяемое соотношением геометрических форм собачки и зубьев, не будет препятствовать вращению храпового колеса 4. Ограничение вращения храпового колеса 4 только в заданном направлении, достигаемое описанным взаимодействием храпового колеса 4 и стопорного кулачка 27, позволяет использовать храповое колесо в качестве тормоза (стопора), срабатывающего при обратном вращении ударника 41. Аналогично этот тормоз работает, если переключатель 14 направления вращения переместить в положение обратного вращения (в направлении стрелки 69), чтобы собачка 27b (вторая собачка) стопорного кулачка 27 вошла в зацепление с зубчатым венцом 4с храпового колеса, допуская обратное вращение (при отворачивании крепежного элемента, в частности шурупа или самореза). Аналогичным образом, эта собачка будет стопорить вращение в противоположном направлении (нормальное вращение).
На фиг.29 иллюстрируются четыре стадии работы ударного механизма, содержащего ударник 41 и наковальню 46. На фиг.29 приведены виды ударного механизма в разрезе плоскостью, перпендикулярной осевому направлению, виды в левой части фиг.29 (с нечетными номерами) соответствуют разрезу А-А на фиг.26, а виды в правой части фиг.29 (с четными номерами) соответствуют разрезу В-В на фиг.26, причем виды, расположенные в левой и правой частях фиг.29 рядом друг с другом, являются соответствующими, т.е. иллюстрируют одну фазу работы механизма. На правых видах выступающая часть 45 ударника и контактные поверхности 4а и 4b храпового колеса показаны штриховыми линиями. Поскольку виды (2), (4), (6) и (8) на фиг.29 соответствуют разрезам при взгляде на храповое колесо 4 спереди, следует обратить внимание на то, что направления вращения будут противоположными относительно фиг.28, где храповое колесо показано сзади.
В состоянии, показанном на фиг.29(1) и 7(2), пока воспринимаемый от рабочего инструмента крутящий момент заворачивания мал, наковальня 46 вращается против часовой стрелки (в направлении заворачивания крепежного элемента), толкаемая ударником 41. В этом случае, поскольку контактная поверхность 45а выступающей части 45 ударника находится в контакте с контактной поверхностью 4а храпового колеса 4, как показано на чертеже (2), храповое колесо 4 вращается в том же направлении, следуя за ударником 41. Поскольку во время вращения храпового колеса 4 против часовой стрелки собачка 27а стопорного кулачка 27 при надавливании на нее поворачивается в направлении стрелки 72, храповое колесо 4 не стопорится. В этом состоянии наковальня 46 и храповое колесо 4 вращаются синхронно друг с другом, не проворачиваясь относительно ударника 41. Когда же крутящий момент заворачивания возрастет настолько, что вращение наковальни 46 за счет одной лишь силы вращения ударника 41 станет невозможным, выполняется реверс двигателя 3 для поворота ударника 41 в обратном (по отношению к направлению заворачивания) направлении по стрелке 66.
При начале обратного вращения ротора двигателя 3 из состояния, показанного на фиг.29(1), выступающая часть 42 ударника 41 поворачивается в направлении стрелки 71. В этом случае, поскольку перед выступающей частью 45 ударника в направлении обратного вращения имеется вырез угловой протяженностью примерно 120°, допускающий определенный угол поворота ударника, во время этого обратного вращения выступающая часть 45 ударника может совершить обратное вращение, не упершись в храповое колесо 4. То есть ударник 41 из положения, показанного на фиг.29(1), совершает обратное вращение, поворачиваясь примерно 120°, и ни наковальня 46, ни храповое колесо 4 при этом не вращаются.
a1
h1
a2
h2
При дальнейшем обратном вращении ротора двигателя 3, когда выступающая часть 42 ударника поворачивается в направлении стрелки 73, как показано на фиг.29(3), проходя мимо наружной периферийной стороны выступающей части 48 наковальни, контактная поверхность 45b выступающей части 45 ударника упирается в контактную поверхность 4b храпового колеса, как показано на фиг.29(4), в результате чего храповое колесо 4 вращается в направлении стрелки 75. Однако стопорный кулачок 27 сразу поворачивается по стрелке 76, и собачка 27а входит в зацепление с зубьями зубчатого венца 4с храпового колеса. В результате вращение храпового колеса 4 останавливается, а за счет остановки храпового колеса 4 прекращается и вращение ударника 41. Таким образом, с помощью храпового колеса 4 и стопорного кулачка 27 можно блокировать обратное вращение ударника 41. Поскольку такое торможение и стопорение ударника реализуется механическими элементами, а электрическая энергия при этом не расходуется, потребление электрической энергии для целей стопорения исключается. На фиг.29(3) показано, что наружный диаметр Rвыступающей части 48 наковальни меньше внутреннего диаметра Rвыступающей части 42 ударника, и поэтому эти две выступающие части не сталкиваются друг с другом. Аналогичным образом, наружный диаметр Rвыступающей части 47 наковальни меньше внутреннего диаметра Rвыступающей части 43 ударника, и поэтому эти две выступающие части также не сталкиваются друг с другом. Соответственно, торможение осуществляется только в отношении ударника 41 и не оказывает никакого влияния на наковальню 46.
После того как ударник 41 остановился, двигатель 3 запускается для привода ударника 41 во вращение в направлении показанной на фиг.29(3) стрелки 74 (в направлении нормального вращения). Затем нормальное вращение ударника 41 ускоряется, и в состоянии ускорения ударника ударяющая поверхность 42а его выступающей части 42 сталкивается с ударяемой поверхностью 47а наковальни 46 в положении, показанном на фиг.29(5). В результате этого столкновения наковальне 46 передается высокий крутящий момент, и наковальня 46 поворачивается в направлении, показанном стрелкой 77. Хотя в состояниях, показанных на фиг.29(3)-29(5), выступающая часть 45 ударника также вращается, но поскольку эта выступающая часть не соприкасается ни с контактной поверхностью 4а, ни с контактной поверхностью 4b, храповое колесо 4 остается неподвижным, не вращаясь, как показано на фиг.29(6).
Положение, показанное на фиг.29(7), представляет собой состояние, когда как ударник 41, так и наковальня 46 повернулись в направлении стрелки 78 на заданный угол относительно состояния, показанного на фиг.29(5). В это время храповое колесо 4 также поворачивается в направлении стрелки 78 на тот же угол, что и наковальня 46. В этом случае, поскольку при вращении храпового колеса 4 против часовой стрелки собачка стопорного кулачка 27 отжимается действующим изнутри усилием и поворачивается в направлении стрелки 79, вращение храпового колеса 4 не блокируется. Таким образом, за счет повторения процесса, начинающегося в состоянии, показанном на фиг.29(1), и заканчивающегося в состоянии, показанном на фиг.29(8), обеспечивается заворачивание крепежного элемента до достижения требуемого крутящего момента его затяжки.
Как было указано выше, применение ударника 41 и наковальни 46 в соответствии с изобретением позволяет создать импульсно-силовую ручную машину с исключительно простой конструкцией ударного механизма, образованной только ударником 41 и наковальней 46, за счет управления двигателем 3, предусматривающим его привод в направлении обратного вращения. Поскольку при обратном вращении ротора двигателя 3 для торможения ударника 41 электрическая энергия не расходуется, изобретение позволяет осуществлять быстрое торможение при минимальном потреблении энергии. В третьем варианте осуществления изобретения стопорный кулачок 27 перемещается выступом 13, выполненным за одно целое с переключателем 14 направления вращения. Стопорный кулачок 27 может приводиться в движение от электропривода по командам блока управления. В этом случае стопорный кулачок 27 может перемещаться только в том случае, когда требуется торможение ударника, при отсутствии такой необходимости собачки 27а и 27b стопорного кулачка 27 могут быть выведены из контакта с зубьями зубчатого венца 4с храпового колеса. Если стопорный кулачок 27 приводится в движение от электропривода, угол поворота ударника 41 при его обратном вращении может устанавливаться переменным, в частности в зависимости от потребного крутящего момента. Кроме того, если стопорный кулачок 27 приводится в движение от электропривода, храповое колесо 4 и ударник 41 могут быть выполнены не в виде отдельных деталей, а как единое целое.
В отношении конструкции системы управления двигателем третий вариант осуществления изобретения практически идентичен рассмотренным выше вариантам, показанным на фиг.5. Также в отношении функционирования системы управления двигателем третий вариант осуществления изобретения почти идентичен рассмотренным выше вариантам. Ниже рассматриваются только отличия третьего варианта осуществления изобретения от рассмотренных выше.
На фиг.30 показана зависимость между направлением вращения ротора двигателя 3 и управляющим током для приведения двигателя в действие. Осью абсцисс представлена частота вращения ротора двигателя при подаче в двигатель управляющего тока, обеспечивающего заданную частоту вращения ротора двигателя, а осью ординат представлена величина тока, фактически текущего в двигатель. Обычно при подаче управляющего тока в двигатель, когда частота вращения его ротора равна нулю, т.е. при нахождении двигателя в остановленном состоянии, в двигатель поступает большой ток (его называют "пусковым током"). И по мере раскрутки ротора двигателя в направлении нормального вращения (вращение со знаком "плюс"), пусть даже небольшой, и при подаче управляющего тока в направлении нормального вращения значение тока, фактически поступающего в двигатель, постепенно уменьшается, как это показано сплошной линией, а частота вращения ротора двигателя возрастает. Если же ротор двигателя вращается в направлении обратного вращения (вращение со знаком "минус"), тогда как управляющий ток подается для привода двигателя в нормальное вращение, то поскольку текущее направление вращения противоположно заданному, в двигатель течет большой ток, который больше или равен пусковому току, как показано штриховой линией. Поскольку в области этой штриховой линии происходит подача тока, управляющий ток (ток торможения), подаваемый в двигатель 3 при обратном вращении ротора последнего, представляет собой бесполезное расходование электрической энергии, не вносящее вклад в заворачивание крепежного элемента, если управляющий ток поступает в двигатель только с целью торможения его ротора. Для исключения этой бесполезной траты электрической энергии необходимо начинать нормальное вращение после полной остановки вращения ротора двигателя. В третьем же варианте осуществления изобретения, поскольку торможение выполняется механическими элементами, подавать ток торможения не требуется, в отличие от ситуации, иллюстрируемой на фиг.30 штриховой линией. Таким образом, изобретение позволяет сократить потребление энергии до низкого уровня.
Далее описывается способ управления работой импульсно-силовой ручной машины 1, соответствующей третьему варианту осуществления изобретения. В третьем варианте предлагаемой в изобретении импульсно-силовой ручной машины 1 наковальня 46 и ударник 41 установлены с возможностью вращения относительно друг друга в пределах угла, составляющего около 120°. Уникальным также является управление их вращением. На фиг.31 показаны: пусковой сигнал во время работы импульсно-силовой ручной машины 1, управляющий сигнал на выходе инверторной схемы, скорость вращения ротора двигателя 3 и сила удара, наносимого ударником 41 по наковальне 46. По оси абсцисс для соответствующих графиков отложено время, и все графики приведены в едином масштабе времени, что позволяет сравнивать поведение параметров на соответствующих графиках во времени.
1
2
2
В импульсно-силовой ручной машине 1, соответствующей третьему варианту осуществления изобретения, в случае заворачивания крепежного элемента в ударном режиме вначале заворачивание крепежного элемента выполняется на высокой скорости в непрерывном режиме, называемом "режимом сверления", затем, если обнаружено, что потребный крутящий момент стал большим, заворачивание крепежного элемента продолжается путем переключения на прерывистый или ударный режим, называемый "импульсным режимом (1)", а если потребное значение крутящего момента стало еще больше, то заворачивание крепежного элемента выполняется путем переключения на ударный режим, называемый "импульсным режимом (2)". В режиме сверления, продолжающемся от момента времени T до момента времени Т, как показано на фиг.30, вычислительное устройство 51 управляет двигателем 3 на основании заданной частоты вращения. Поэтому двигатель 3 ускоряется, пока его ротор не достигнет заданной частоты вращения, показанной стрелкой 3085а. После этого скорость вращения ротора двигателя 3, из-за нарастания силы реакции, действующей со стороны присоединенного к наковальне 46 рабочего инструмента, постепенно уменьшается до уровня, обозначенного стрелкой 3085b. Таким образом, уменьшение скорости вращения выявляется путем регистрации значения тока, подаваемого в двигатель 3, и в момент времени Твыполняется переключение вращательного привода в "импульсный режим (1)".
2
21
21
3
3
31
31
4
Импульсный режим (1) - это режим, в котором двигатель 3 приводится в действие не непрерывно, а прерывисто, и приводится в действие импульсами, с многократным повторением последовательности "пауза → приведение в нормальное вращение". Выражение "приводится в действие импульсами" означает здесь управление приводом посредством импульсной подачи отпирающего сигнала в инверторную схему 52 и, соответственно, импульсной подачи в двигатель 3 управляющего тока, вызывающей импульсные изменения частоты вращения или крутящего момента на валу двигателя 3. Такая пульсация создается повторением цикла включения/отключения управляющего тока с большим периодом (например, с частотой, примерно составляющей от нескольких десятков герц до ста и нескольких десятков герц), например, путем отключения подаваемого в двигатель управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени T (пауза), включения управляющего тока для приведения двигателя в действие в период с момента времени T до момента времени Т (привод), отключения управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени Т (пауза) и включения управляющего тока в период с момента времени Т до момента времени Т. Хотя для управления частотой вращения ротора двигателя 3 при включенной подаче управляющего тока выполняется ШИМ-управление, период пульсации тока достаточно мал по сравнению с периодом (обычно несколько килогерц) управления посредством коэффициента заполнения импульсов.
2
В показанном на фиг.31 примере после того как в момент времени Тподача управляющего тока в двигатель 3 была приостановлена на заданный период времени, скорость вращения ротора двигателя 3 уменьшилась. В этом случае ударник 41 вращается за наковальней 46, но поскольку выступающая часть 45 ударника помещается в вырезе храпового колеса 4, то даже если ударник 41 слегка отстает, храповое колесо 4 не оказывает влияния на вращение ударника 41. После уменьшения скорости вращения ротора двигателя 3 до уровня, обозначенного стрелкой 3086а, блок управления 51 (см. фиг.5) посылает управляющий сигнал 3083а в схему 53 вывода управляющих сигналов, тем самым обеспечивая подачу в двигатель 3 пульсирующего управляющего тока (управляющего импульса) для ускорения двигателя. Такое управление двигателем во время его ускорения означает подачу импульсов не обязательно при коэффициенте заполнения импульсов 100%, но и при коэффициенте заполнения импульсов, меньшем 100%. Затем поступает показанный стрелкой 3088а сигнал силы удара, проходящий в результате сильного столкновения ударника 41 с наковальней 46 при скорости, показанной стрелкой 3086b. При поступлении сигнала силы удара подача управляющего тока в двигатель 3 приостанавливается на заданный период времени, и скорость вращения ротора двигателя уменьшается снова до уровня, обозначенного стрелкой 3086с. После этого блок управления 51 посылает в схему 53 вывода управляющих сигналов управляющий сигнал 3083b, тем самым ускоряя двигатель 3. Затем поступает показанный стрелкой 3088b сигнал силы удара, проходящий в результате сильного столкновения ударника 41 с наковальней 46 при скорости, показанной стрелкой 3086d. В импульсном режиме (1) описанная выше последовательность "пауза → приведение в нормальное вращение" для реализации прерывистого приведения двигателя 3 в действие повторяется один или несколько раз. Если обнаружено, что для заворачивания крепежного элемента требуется еще более высокий крутящий момент, выполняется переключение вращательного привода в импульсный режим (2). Определение того, необходим ли для заворачивания крепежного элемента еще более высокий крутящий момент, может осуществляться, например, по частоте вращения ротора двигателя 3 до или после соответствующего стрелке 3086d момента времени, когда поступает сигнал силы удара, показанный стрелкой 3088b.
Хотя импульсный режим (2) также предусматривает прерывистое приведение двигателя 3 в действие, т.е. приведение в движение импульсами, аналогично импульсному режиму (1), в этом случае двигатель приводится в действие путем многократного повторения иной последовательности, а именно: "пауза → приведение в обратное вращение → торможение (остановка) → приведение в нормальное вращение". То есть при работе ручной машины в импульсном режиме (2) для сообщения ротору двигателя 3 не только нормального вращения, но и обратного вращения ударник 41 ускоряется в направлении нормального вращения, чтобы сильно столкнуться с наковальней 46, лишь после поворота ударника 41 в направлении обратного вращения на достаточное угловое расстояние относительно наковальни 46. Подобная схема сообщения ударнику 41 движения позволяет создавать на наковальне 46 высокий крутящий момент заворачивания крепежного элемента. В третьем варианте осуществления изобретения остановка обратного вращения ротора двигателя 3 после его реверсирования (в районе стрелок 3087b и 3087f на фиг.31), замедления двигателя 3 и его остановки путем подачи в двигатель 3 тока нормального вращения не предусмотрено, а двигатель 3 замедляется и останавливается за счет столкновения ударника 41 с наковальней 46.
В примере, показанном на фиг.31, когда в момент времени Т4 выполняется переключение в импульсный режим (2), приведение двигателя 3 в действие временно останавливается, а затем ротор двигателя 3 начинает вращаться в направлении обратного вращения за счет посылки в схему 53 вывода управляющих сигналов управляющего сигнала 2084а в отрицательном направлении. При выполнении нормального вращения или обратного вращения это нормальное или обратное вращение реализуется путем смены формы каждого управляющего сигнала (сигнал включения/отключения питания двигателя), выдаваемого схемой 53 вывода управляющих сигналов в каждый из переключающих элементов Q1-Q6. Если ротор двигателя 3 повернулся в направлении обратного вращения на заданный угол (стрелка 3087а), то поскольку контактная поверхность 45b выступающей части 45 ударника сталкивается с контактной поверхностью 4b храпового колеса 4, вращение ротора двигателя 3 останавливается (стрелка 3087b). После этого подача управляющего тока в двигатель 3 временно прекращается с последующим началом приведения ротора двигателя в нормальное вращение. Для этого в схему 53 вывода управляющих сигналов посылается управляющий сигнал 3084b в положительном направлении. В случае вращательного привода с помощью инверторной схемы 52 управляющий сигнал не переключается на плюсовую или минусовую сторону. Управляющий сигнал классифицируется как действующий в направлении "плюс" или "минус" и схематически представлен на фиг.31, что обеспечивает простоту понимания того, вращается ли ротор двигателя, и если да, то в каком направлении.
7
Ударник 41 сталкивается с наковальней 46 в момент времени, когда скорость вращения ротора двигателя 3 достигла максимального значения (стрелка 3087с). В результате этого столкновения создается крутящий момент 3089а на заворачивание крепежного элемента, значительно более высокий, чем крутящие моменты 3088а, 3088b, создаваемые в импульсном режиме (1). При подобном столкновении частота вращения ротора двигателя 3 уменьшается с уровня, обозначенного стрелкой 3087с, до уровня, обозначенного стрелкой 3087d. Кроме того, в момент обнаружения обозначенного стрелкой 3089а столкновения ударника с наковальней управление двигателем может предусматривать прекращение подачи управляющего сигнала в двигатель 3. В этом случае, если крепежным элементом является болт, гайка и т.д., уменьшается отдача от удара, передаваемая на руку пользователя. Если же в третьем варианте осуществления изобретения управляющий ток подается в двигатель 3 даже после столкновения ударника с наковальней, ощущаемая пользователем сила реакции мала по сравнению с режимом сверления и подходит для работы в условиях средней нагрузки. Таким образом, скорость заворачивания крепежного элемента может быть увеличена, а потребление энергии может быть снижено по сравнению с мощным импульсным режимом. После этого аналогичным образом выполняется заворачивание крепежного элемента высоким крутящим моментом, для чего заданное количество раз повторяется последовательность "пауза → приведение в обратное вращение → торможение → приведение в нормальное вращение". При отпускании оператором в момент времени T клавиши пускового выключателя двигатель 3 останавливается, и операция по заворачиванию крепежного элемента завершается. Помимо снятия оператором управляющего воздействия с пускового выключателя, двигатель 3 также может быть остановлен в случае, если вычислительное устройство 51 по выходному сигналу датчика 56 силы удара (см. фиг.5) определит, что заворачивание крепежного элемента завершено с заданным крутящим моментом затяжки.
Как указано выше, в третьем варианте осуществления изобретения в начальной стадии заворачивания крепежного элемента, когда для этого требуется лишь небольшой крутящий момент, вращательный привод работает в режиме сверления, затем при увеличении потребного крутящего момента заворачивание крепежного элемента выполняется в ударном режиме (1) путем прерывистого приведения ротора двигателя во вращение только в направлении нормального вращения, и в заключительной стадии заворачивания ручная машина работает в ударном режиме (2) с прерывистым приведением двигателя 3 в действие в направлениях нормального и обратного вращения. Заворачивание крепежного элемента может выполняться с использованием только ударного режима (1) и ударного режима (2). Также можно использовать управляющее воздействие для перевода машины из режима сверления сразу в ударный режим (2), минуя ударный режим (1). Поскольку в ударном режиме (2) ротор двигателя попеременно вращается в направлениях нормального и обратного вращения, скорость заворачивания крепежного элемента становится значительно меньшей, чем в режиме сверления или в ударном режиме (1). Когда скорость заворачивания крепежного элемента таким образом резко уменьшается, у оператора при переходе ручной машины в ударный режим возникает сильное, по сравнению с импульсно-силовой ручной машиной, имеющей обычный ударно-вращательный механизм, ощущение дискомфорта. Таким образом, при переходе из режима сверления в ударный режим (2) наличие между ними промежуточного ударного режима (1) позволяет сделать тактильные ощущения пользователя естественными. Заворачивая крепежный элемент в режиме сверления или в ударном режиме (1) как можно дольше, можно обеспечить сокращение длительности операции заворачивания крепежного элемента.
Далее со ссылкой на фиг.32-36 описывается процесс управления импульсно-силовой ручной машиной 1 в третьем варианте осуществления изобретения. На фиг.32 показана блок-схема алгоритма управления импульсно-силовой ручной машиной 1, соответствующей третьему варианту осуществления изобретения. До начала пользователем работы импульсно-силовая ручная машина 1 определяет (шаг 3101), выбран ли посредством переключателя 32 ударный режим (см. фиг.2). Если ударный режим выбран, процесс управления переходит к шагу 3102, а если ударный режим не выбран, т.е. в случае выбора обычного режима сверления, процесс управления переходит к шагу 3110.
В ударном (импульсном) режиме вычислительное устройство 51 определяет, включен ли пусковой выключатель 8. Если пусковой выключатель включен (клавиша 8а нажата), как показано на фиг.32, двигатель 3 запускается в режиме сверления (шаг 3103), и в соответствии со степенью нажатия клавиши 8а пускового выключателя начинается ШИМ-управление инверторной схемой 52 (шаг 3104). Затем вращение ротора двигателя 3 ускоряется с одновременным контролем подаваемого в двигатель 3 пикового тока на предмет непревышения им верхнего предела р. Далее по истечении заданного времени (t миллисекунд) после пуска двигателя посредством выходного сигнала схемы 59 регистрации тока (см. фиг.5) регистрируется значение I тока, подаваемого в двигатель 3 (шаг 3106). Если зарегистрированное значение I тока не превышает заданного значения (р1 ампер), процесс возвращается к шагу 3104, а если значение тока превысило заданное значение (р1 ампер), процесс переходит к шагу 3108 (шаг 3107). Затем определяется (шаг 3108), превышает ли зарегистрированное значение I тока второе заданное значение (р2 ампер).
Если на шаге 3108 зарегистрированное значение I тока не превышает р2 ампер, т.е. если выполнено условие р1<I<р2, процесс управления после выполнения алгоритма импульсного режима (1), показанного на фиг.33, переходит к шагу 3109 (шаг 3120). Если же зарегистрированное значение I тока превышает р2 ампер, процесс управления переходит к шагу 3109 сразу, без выполнения алгоритма импульсного режима (1). На шаге 3109 определяется, находится ли пусковой выключатель 8 во включенном состоянии. Если пусковой выключатель выключен, процесс управления возвращается к шагу 3101. Если же пусковой выключатель остается включенным, процесс управления возвращается к шагу 3101 после выполнения алгоритма импульсного режима (2), показанного на фиг.35.
Если на шаге 3101 выбран режим сверления, выполняется этот режим сверления (шаг 3110), причем управление двигателем в режиме сверления осуществляется таким же образом, что и управление на шагах 3102-3107. Затем при регистрации управляющего тока, вызывающего срабатывание электронной предохранительной муфты, или состояния перегрузки по току, непосредственно предшествующего блокировке двигателя 3, в качестве тока р1 на шаге 3107, с соответствующей остановкой двигателя 3 (шаг 3111), работа в режиме сверления завершается, и процесс управления возвращается к шагу 3101.
A
Ниже со ссылкой на фиг.33 описывается процесс переключения режимов, происходящий на шагах 3107 и 3108. На верхних графиках показано изменение частоты вращения ротора двигателя 3 с течением времени, а на нижних графиках показано изменение значения подаваемого в двигатель 3 тока с течением времени, причем верхние и нижние графики выполнены в едином масштабе времени. Как показано на левых графиках, при нажатии на клавишу пускового выключателя в момент времени Т (эквивалентном шагу 3102 на фиг.32) двигатель 3 запускается и ускоряется, как показано стрелкой 3113а. Во время этого ускорения выполняется стабилизация тока с ограничением тока максимальным значением р, как показано стрелкой 3114а. Когда частота вращения ротора двигателя 3 достигла заданного значения (стрелка 3113b), ток, стабилизированный во время ускорения, начинает вести себя обычным образом, как показано стрелкой 3114b. Соответственно, значение тока уменьшается. После этого при увеличении силы реакции, воспринимаемой от крепежного элемента, такого как шуруп, болт и т.д., по мере его заворачивания, частота вращения ротора двигателя 3 постепенно уменьшается, как показано стрелкой 3113с, а значение подаваемого в двигатель 3 тока увеличивается. Затем по истечении t миллисекунд после пуска двигателя 3 определяется значение тока. Если выполнено условие р1<I<р2, как показано стрелкой 3114с, процесс на шаге 3120 переходит на управление двигателем в импульсном режиме (1), рассматриваемом ниже.
B
Как показано на правых графиках, при нажатии на клавишу пускового выключателя в момент времени Т (эквивалентном шагу 3102 на фиг.32) двигатель 3 запускается и ускоряется, как показано стрелкой 3115а. Во время этого ускорения выполняется стабилизация тока с ограничением тока максимальным значением р, как показано стрелкой 3116а. Когда частота вращения ротора двигателя 3 достигает заданного значения (стрелка 3115b), ток во время ускорения начинает вести себя обычным образом, как показано стрелкой 3116b. Таким образом, значение тока уменьшается. После этого, при увеличении силы реакции, воспринимаемой от крепежного элемента, такого как шуруп, болт и т.д., по мере его заворачивания, частота вращения ротора двигателя 3 постепенно уменьшается, как показано стрелкой 3115с, а значение подаваемого в двигатель 3 тока увеличивается. В данном примере сила реакции, воспринимаемая от крепежного элемента, увеличилась быстро. Таким образом, как показано стрелкой 3115с, частота вращения ротора двигателя 3 сильно уменьшается, а интенсивность нарастания значения тока велика. Тогда, поскольку значение тока по истечении t миллисекунд с момента пуска двигателя 3 удовлетворяет условию р2<1, как показано стрелкой 3116с, процесс на шаге 3140 переходит на управление двигателем в импульсном режиме (2), рассматриваемом ниже со ссылкой на фиг.35.
Обычно при заворачивании шурупа, болта и т.п. предполагается, что крутящий момент его затяжки часто непостоянен из-за отклонений от номинальной точности механической обработки подобного крепежного элемента (шурупа или болта), состояния затягиваемого крепежного элемента, изменчивости свойств материала, таких как сучковатость, структура дерева и т.д. Поэтому крепежный элемент может быть затянут одним ударом непосредственно перед завершением процесса заворачивания, выполняемого только в режиме сверления. В подобном случае, при пропуске заворачивания в ударном режиме (1) и переключении на заворачивание в режиме сверления (2) с более высоким крутящим моментом затяжки, операция заворачивания крепежного элемента может быть эффективно завершена за короткое время.
1n
1n
1n
2n
1n
2n
2n
1n
2n
1(n+1)
2n
th
th
th
Далее со ссылкой на фиг.34 описывается алгоритм управления импульсно-силовой ручной машиной в импульсном режиме (1). Если процесс управления ручной машиной переключился в импульсный режим (1), то сначала, по истечении заданного периода паузы, пиковый ток ограничивается таким образом, чтобы он был меньше или равен предельному значению р3 ампер (шаг 3121), а ротор двигателя 3 в течение заданного периода времени, т.е. Т миллисекунд, приводится во вращение путем подачи в двигатель тока нормального вращения (шаг 3122). Затем по истечении времени Т миллисекунд регистрируется частота вращения N [об/мин] ротора двигателя 3 (n=1, 2,…) (шаг 3123). Далее подаваемый в двигатель 3 управляющий ток отключается (шаг 3124), и измеряется время t, прошедшее до понижения частоты вращения ротора двигателя 3 от N до N (=N/2). Затем получают значение времени t, определяемое как t=X-t, в течение этого времени t в двигатель 3 подается ток нормального вращения (шаг 3126), и пиковый ток удерживается меньшим или равным р3 ампер, с обеспечением ускорения ротора двигателя 3 (шаг 3127). Затем для переключения в импульсный режим (2) определяется, является ли частота вращения N ротора двигателя 3 по истечении времени t меньшей или равной пороговой частоте вращения R. Если частота вращения ротора двигателя меньше или равна значению R, алгоритм управления в импульсном режиме (1) завершается, и процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 3120, показанному на фиг.32, а если частота вращения ротора двигателя больше или равна R, процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 3124 (шаг 3128).
1
11
21
21
11
11
21
2n
2n
1n
14
th
На фиг.35 показаны изменение частоты вращения ротора двигателя 3 с течением времени и изменение значения подаваемого в двигатель 3 тока с течением времени при выполнении алгоритма управления, показанного на фиг.34. Сначала в течение отрезка времени Т в двигатель 3 подается управляющий ток 3132. Поскольку подача управляющего тока осуществляется с ограничением пикового тока таким образом, чтобы тот был меньше или равен р3 ампер, ток во время ускорения ограничивается, как показано стрелкой 3132а, а затем значение тока уменьшается, как показано стрелкой 3132b, в то время как частота вращения ротора двигателя 3 увеличивается. В момент времени Т, когда в результате соответствующего измерения установлено, что частота вращения ротора двигателя 3 достигла значения N, вычисляется частота вращения N, с которой начнется вращение ротора двигателя 3, для чего используется выражение N=N/2. Частота вращения n составляет, например, 10000 об/мин. После того как частота вращения ротора двигателя 3 уменьшилась до значения N, в двигатель подается управляющий ток 3133, и двигатель 3 ускоряется снова. Время t, в течение которого происходит подача управляющего тока 3133, определяется по выражению t=X-t. Аналогично, хотя в циклах 2Х и 3Х управление осуществляется так же, с увеличением силы реакции (противодействия, или сопротивления, заворачиванию) интенсивность повышения частоты вращения ротора двигателя 3 уменьшается, и в момент времени 4Х частота вращения N станет меньшей или равной пороговой частоте вращения R. В этот момент времени выполнение импульсного режима (1) завершается, и процесс управления переключается на импульсный режим (2).
Далее со ссылкой на фиг.36 описывается алгоритм управления импульсно-силовой ручной машиной в импульсном режиме (2). Сначала отключается подаваемый в двигатель 3 управляющий ток, и система управления двигателем находится в состоянии ожидания (шаг 3141). Если во время ожидания частота вращения ротора двигателя уменьшилась до значения, меньшего или равного 5000 об/мин, в двигатель 3 подается ток обратного вращения для раскрутки его ротора до частоты вращения -3000 об/мин (шаги 3142 и 3143). Здесь частота вращения ротора двигателя 3 определяется посредством выходного сигнала датчика 58 углового положения. Знак "минус" означает здесь, что ротор двигателя 3 в этом случае вращается в направлении, обратном направлению рабочего вращения с частотой 3000 об/мин. Далее, если частота вращения ротора двигателя 3 достигла -3000 об/мин, подаваемый в двигатель 3 ток отключается, и система управления двигателем переводится в состояние ожидания (шаги 3144 и 3145). При отключении тока ротор двигателя 3 продолжает вращаться по инерции, и выступающая часть 45 ударника 41 сталкивается с контактной поверхностью (4а или 4b) храпового колеса 4 (шаг 3146). Вследствие этого столкновения стопорный кулачок 27 поворачивается в направлении стрелки 67, показанной на фиг.28, и собачка стопорного кулачка 27 входит в зацепление с зубчатым венцом 4с храпового колеса, в результате чего вращение ударника 41 сразу прекращается. Поскольку двигатель 3 после его реверсирования останавливается без расходования тока, за счет столкновения ударника 41 с храповым колесом 4 во время обратного вращения ротора двигателя 3, достигается значительная экономия потребляемого тока.
Затем при подтверждении того, что двигатель 3 остановился, включается подача тока нормального вращения для приведения ротора двигателя 3 в нормальное вращение (шаги 3147 и 3148). Остановка вращения ротора двигателя 3 может регистрироваться посредством выходного сигнала датчика 58 углового положения и выходного сигнала датчика 56 силы удара. Когда ток нормального вращения включен, двигатель 3 ускоряется до частоты вращения 10000 об/мин, и при этой частоте вращения ударник 41 сталкивается с наковальней 46. Таким образом, заворачивание выполняется за счет выходного крутящего момента двигателя 3 и инерции движения двигателя 3 и ударника 41 (шаг 3149). Затем по истечении заданного времени с момента включения тока нормального вращения подаваемый в двигатель 3 ток отключается (шаг 3150). Это время предпочтительно задавать с таким расчетом, чтобы оно истекало после нанесения удара.
Затем определяется, остается ли пусковой выключатель во включенном состоянии, т.е. при нажатой клавише. Если пусковой выключатель находится в выключенном состоянии, вращение ротора двигателя 3 прекращается, выполнение алгоритма управления в импульсном режиме (2) завершается, и процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 3140, показанному на фиг.32 (шаг 3151). Если пусковой выключатель 8 находится во включенном состоянии, процесс выполнения операций управления возвращается к шагу 3141 (шаг 3151). На шаге 3146 удар по наковальне во время обратного вращения ударника может быть смягчен за счет подачи тока нормального вращения непосредственно перед столкновением ударника и наковальни во время обратного вращения ударника, что обеспечивает, хотя и небольшое, но торможение для уменьшения частоты вращения, за счет создания момента, противодействующего вращению ротора двигателя, непосредственно перед столкновением.
Как указано выше, в третьем варианте осуществления изобретения крепежный элемент может эффективно заворачиваться импульсно-силовой ручной машиной, имеющей двигатель, а также ударник и наковальню, установленные с возможностью поворота относительно друг друга менее чем на один оборот, в режимах непрерывного вращения, прерывистого вращения только в направлении нормального вращения и прерывистого вращения в направлениях нормального вращения и обратного вращения. Поскольку форма ударника и наковальни может быть реализована в простой конструкции, изобретением достигается миниатюризация импульсно-силовой ручной машины и ее удешевление. Поскольку для остановки двигателя в состоянии обратного вращения его ротора не требуется подавать большой ток нормального вращения, и двигатель эффективно останавливается за короткое время с помощью тормозного механизма, храповым колесом 4, уменьшается количество потребляемой энергии. Поскольку ударник в состоянии обратного вращения вращается до столкновения с храповым колесом, уменьшается погрешность исходного положения, в котором начинается ускорение нормального вращения ударника, и разброс значений силы удара невелик.
Возможности осуществления изобретения не ограничиваются описанным выше вариантом. Например, хотя в качестве примера двигателя был приведен бесщеточный электрический двигатель постоянного тока, изобретение допускает использование других видов двигателей, которые могут приводиться в действие в направлениях нормального и обратного вращения.
Наковальня и ударник могут иметь произвольную форму, и могут использоваться другие формы, позволяющие конструктивно исключить возможность непрерывного вращения наковальни и ударника относительно друг друга (возможность их вращения с обгоном друг друга), обеспечить заданный угол их поворота относительно друг друга, меньший 360°, и сформировать на ударнике ударяющую поверхность, а на наковальне - ударяемую поверхность. Например, выступающая часть ударника и наковальни может быть выполнена таким образом, чтобы выдаваться не в осевом направлении, а в окружном направлении. Далее выступающие части ударника и наковальни не обязательно должны быть выпуклыми наружу и не обязательно должны образовывать ударяющую поверхность и ударяемую поверхность заданной формы, эти выступающие части могут выдаваться внутрь ударника или наковальни (в виде выемок). Ударяющая поверхность и ударяемая поверхность не обязательно должны быть плоскими, а могут иметь искривленную форму или другие формы, удобные с точки зрения формообразования ударяющей поверхности или ударяемой поверхности.
В третьем варианте осуществления изобретения храповое колесо 4, служащее тормозным механизмом, предусмотрено между ударяющей поверхностью ударника и планетарным редуктором. Вместе с тем, храповое колесо можно устанавливать с наружной периферийной стороны ударника, не ограничиваясь только этим положением, или его можно установить между планетарным редуктором и двигателем.
Возможности осуществления настоящего изобретения не ограничиваются рассмотренными выше вариантами, при осуществления изобретения его элементы (включая элементы конструкции, так и операции способа) могут быть изменены в пределах объема патентных притязаний, определяемого формулой изобретения. Далее соответствующим образом комбинируя различные элементы, раскрытые выше при рассмотрении вариантов осуществления изобретения, можно получить различные изобретения. Например, некоторые из элементов, описанных выше, могут быть исключены. Элементы, используемые в различных вариантах осуществления изобретения, могут подходящим образом комбинироваться.
В отношении изобретений по настоящей заявке испрашиваются приоритеты по дате подачи японской патентной заявки №2009-177114, поданной 29 июля 2009 г., японской патентной заявки №2009-215086, поданной 16 сентября 2009 г., и японской патентной заявки №2009-259354, поданной 12 ноября 2009 г., причем содержание вышеупомянутых первых заявок включено в заявку путем ссылки.
Промышленная применимость
Согласно одному аспекту изобретения предложена импульсно-силовая ручная машина, в которой реализована простая конструкция ударного механизма, образованного ударником и наковальней.
Согласно другому аспекту изобретения предложена импульсно-силовая ручная машина, в которой ударник и наковальня при заворачивании крепежного элемента способны поворачиваться относительно друг друга на угол менее 360° за счет разработки соответствующего способа управления двигателем.
Согласно еще одному аспекту изобретения предложена многорежимная импульсно-силовая ручная машина с возможностью переключения между режимом сверления и ударным режимом и работы в соответствующем режиме.