CN101088702B - 用于刀具夹的驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于工具机、尤其是手持式电动工具机、优选电动刺锯机的刀具夹的驱动装置，具有一个驱动器及一个用于使刀具夹周期性往复运动的运动装置。本发明提出：该驱动器(18)被构造成振荡激励装置(17)，用于激励一个振荡系统(52)的形成往复运动的振荡，其中该运动装置(1)及刀具夹(19)是振荡系统(52)的部分或构成该振荡系统，及振荡激励装置(17)用该振荡系统的固有频率或大致其固有频率激励振荡系统(52)。本发明还涉及一种相应的方法及具有相应的驱动装置(15)的工具机(16)。

Description

用于刀具夹的驱动装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种用于工具机、尤其手持式电动工具机、优选电动刺锯机的刀具夹的驱动装置，具有一个驱动器及一个用于使刀具夹周期性往复运动的运动装置。

背景技术

这种用于刀具夹的驱动装置是公知的。在此，一个运动装置由驱动器的驱动运动产生刀具夹的周期性往复运动。在驱动器被构造成电机的情况下，该驱动运动是一个旋转运动，该旋转运动例如通过一个运动装置的连杆传递到该运动装置一个被线性导向的、与刀具夹连接的部件上。在将一个旋转运动转换到线性运动时，驱动力的与导向方向垂直的分量不能被利用来产生往复运动。同时，对于运动装置的被驱动的部分的运动消耗了附加的能量，因为在该类型的机械系统中，在驱动器中、在铰链及导向部分上出现摩擦力，由此使电能转换成热能。该能量不能供刀具加工工件使用。因此这种驱动装置的效率低及不太适合在蓄电池驱动的手持式工具机中应用。

发明内容

按照本发明，提出了一种用于工具机、尤其是手持式电动工具机、优选电动刺锯机的刀具夹的驱动装置，具有一个驱动器及一个用于使刀具夹周期地往复运动的运动装置，其中，该驱动器被构造成振荡激励装置，用于激励一个振荡系统的形成往复运动的振荡，其中该运动装置及刀具夹是该振荡系统的部分或构成该振荡系统，并且该振荡激励装置用该振荡系统的固有频率或大致其固有频率激励该振荡系统，该运动装置具有一个导向装置，用于沿一个运动轨道导向刀具夹，其中，该导向装置被构造成平行导向装置，所述平行导向装置可由多个平行定向的及相同结构的复位部件构成，其中这些复位部件为弯曲弹性的弹性臂。

本发明的任务在于提高驱动装置的效率。

为了解决该任务，本发明提出：驱动器被构造成振荡激励装置，用于激励一个振荡系统的形成往复运动的振荡，其中运动装置及刀具夹是振荡系统的部分或构成该振荡系统，及振荡激励装置用该振荡系统的固有频率或大致其固有频率激励振荡系统。在此，该振荡系统是一个机械振荡系统，该振荡系统-例如通过该振荡系统的一个机械振荡部件的摆动-自动地振荡。由于振荡例如通过摩擦力被阻尼，该振荡系统的最大摆动(幅值)随时间不断地减小，以致该振荡系统最后达到其静止的零位置。为了抵抗该阻尼，振荡系统可相位正确地用该振荡系统的固有频率或大致其固有频率来激励，由此使振荡幅值保持恒定或被提高。维持振荡幅值所需的、通过振荡系统的振荡激励装置输入的能量在用振荡系统的固有频率激励时其大小仅是用于克服振荡阻尼所需的量。用于可机械振荡的系统的一个例子是一个所谓的“重力摆”，它具有一个可摆动到其重心以外地被支承的、具有质量的摆体，它由其静态的静止位置摆出，以便接着-通过重力的一个与质量运动方向相反的分量驱动-在其静态零位置周围以固有频率来回振荡。

尤其提出了：振荡激励装置被构造成直线电机，尤其是被构造成音圈电机。在使用直线电机来激励形成往复运动的振荡的情况下，当两个运动相同地定向时，所产生的驱动力完全地或几乎完全地被利用来转换成振荡运动。音圈电机由具有旋转对称的磁轭的永久磁铁组成，该永久磁铁用于产生径向磁场。在磁轭的环形空气隙中，一个电磁线圈通过周期性地交变电流方向在径向磁场中轴向地往复运动。在振荡激励装置中，该运动被用于激励振荡系统，其方式是该线圈与振荡系统的振荡分量相连接。这种驱动装置具有小的功率消耗及因此尤其适合于由至少一个蓄电器、优选蓄电池供电的手持式电动工具机。因为这种蓄电器仅可存储有限的电能量，所以用于工件加工的能量的有效利用是特别重要的。替代使用直线电机地，尤其也可使用气动的直线马达和液压的直线马达。

根据本发明的一个进一步构型提出，运动装置具有一个导向装置，用于沿一个运动轨道导向刀具夹。通过对刀具夹进行导向的导向装置，尤其可使在加工工件时通过刀具导入的横向力被导向装置吸收。

此外还提出，振荡系统具有至少一个复位部件，用于振荡系统向着平衡位置(零位置)的复位或辅助该复位。为了达到足够大的复位力，该振荡系统具有至少一个复位部件，以使得振荡系统导回到平衡位置中。

尤其提出了，复位部件被构造成弯曲弹性的弹性臂。弯曲弹性的弹性臂的特点是负荷力高及结构简单。如果弯曲弹性的弹性臂尤其被构成板簧形式的弹性臂，则它仅在一个优选方向上具有弹性的特性，而在其它方向上具有支撑特性。

根据本发明的一个进一步构型提出，弹性臂用其纵向轴线垂直或近似垂直于运动轨道地定向。通过弹性臂的垂直的或几乎垂直的定向，该弹性臂被这样定向，使得优选的复位方向沿刀具夹的运动轨道延伸。

此外还提出，导向装置具有用于刀具夹的导向的复位部件。在此，复位部件在导向装置内部被这样地定向，使得一个优选沿刀具夹的运动轨道定向。

根据本发明的一个进一步构型提出，导向装置被构造成平行导向装置。通过该平行导向装置尤其可实现这样一种导向装置，该导向装置具有也用作导向部件的复位部件。在此，平行导向装置例如由多个平行定向的及相同结构的复位部件构成，其中这些复位部件优选地为弯曲弹性的弹性臂。

尤其提出了，平行导向装置被一体地、尤其由钢构成。钢的特点在于，在相对小的重量的情况下具有高的强度及因此特别适于构成弹性臂，这些弹性臂的特点是在横向上高刚度的情况下在导向方向上的高弹性。通过平行导向装置的一体的构造，该振荡系统的重量可这样程度地被减小，以致该平行导向装置可在一个频率例如50Hz±2Hz时用约14mm的导向行程(刀具夹的振荡幅值)进行振荡及在此情况下负责足够的复位力。

此外提出，刀具是振荡系统的一部分及共同参与地确定该振荡系统的固有频率。因为刀具被带动并且具有一个质量，因此该刀具也共同参与地确定振荡装置的振荡特性。

根据本发明的一个进一步构型提出，在用刀具加工工件时形成摩擦，该摩擦将阻尼振荡系统的振荡。如果振荡系统在“空转”、即无刀具与工件的相互作用的情况下主要通过空气摩擦来阻尼，则在用刀具加工工件时主要由刀具与工件之间的摩擦来确定阻尼。

本发明还涉及一种工具机，尤其是手持式电动工具机，优选为电动刺锯机，它具有上面所述的驱动装置。在此，该工具机适合于加工运动为往复运动的刀具。

本发明还涉及用于由运动装置将刀具夹驱动成周期性往复运动的方法。这里提出：运动装置及刀具夹是振荡系统的部分或构成该振荡系统，该振荡系统由振荡激励装置用该振荡系统的固有频率或大致其固有频率激励到形成刀具夹往复运动的振荡。该振荡系统在避免了不必要的阻尼的情况下为一个弱阻尼的振荡系统，它的振荡幅值(振荡系统的最大摆动)通过由振荡激励装置的激励尤其可保持恒定。在此，通过振荡激励装置引入的用于维持往复运动的能量在无由刀具与工件之间的摩擦产生的负荷的“空转”时相对地小。用于加工一个工件所需的能量可——根据加工的材料及类型——非常地高。

最后还提出，振荡激励装置被构造成直线电机，尤其被构造成音圈电机，该电机通过在其振荡方向上或大致振荡方向上的驱动运动来激励该振荡系统。如果在振荡方向上进行激励，则激励能量将有效地传递到振荡系统上。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明，图中示出：

图1：一个非根据本发明的驱动装置的示意图，

图2：一个根据本发明的用于刀具夹的驱动装置的示意图，

图3：一个机械振荡系统的原理图，

图4：一个振荡激励装置的所需的驱动力在激励频率上的曲线图，

图5：根据本发明的驱动装置的第一实施例，及

图6至11：根据本发明的驱动装置的其它实施例。

具体实施方式

图1示出一个非根据本发明的运动装置1的结构的示意图，该运动装置用于将一个未示出的驱动器的旋转运动(箭头2)转换成一个未示出的刀具夹的往复运动(箭头3)。在未示出的驱动器的输出轴4上设有一个杠杆6的第一端部5，由此杠杆6在绕从动轴4的运动方向(箭头2)上转动地被驱动器驱动。在杠杆6的与端部5相反的端部7上，该杠杆与一个连杆9的一个端部8铰接地连接，该连杆的与端部8相反的端部10在一个线性导向装置11中被导向。在此，旋转运动(箭头2)被运动装置1转换成线性运动(箭头3)。由未示出的驱动器施加的驱动力(箭头12)由该未示出的驱动器的转矩及杠杆6的长度及方位来确定。但在旋转运动(箭头2)转换成线性运动(箭头3)时仅是驱动力(箭头12)的分量(箭头13)被利用，该分量与线性导向装置11及所产生的线性运动(箭头3)平行地定向。与驱动力(箭头12)的该分量(箭头13)垂直地定向的横向分量(箭头14)与线性导向装置11垂直地定向及不用来产生线性运动(箭头3)。

图2以示意图示出一个根据本发明的、工具机16的驱动装置15，它具有一个构造成振荡激励装置17的驱动器18及一个用于使刀具夹19周期地往复运动的运动装置1。图2中所示的工具机16在该示意图中具有一个构造成角20的支承部件21。在角20的第一臂22上设有构造成音圈电机23的振荡激励装置17。该音圈电机23是一个电动的直线电机67并且由一个具有磁性地轴向布置的永久磁铁的磁轭24组成。在该磁轭的环形空气隙中，一个电磁线圈25在径向磁场中通过周期交变的通电方向轴向地往复运动。在此，该线圈25的纵轴线26与磁轭24的轴线相重合。电磁线圈25可沿其纵向轴线26移动地被支承。电磁线圈25的由磁轭24伸出的端部区域27与一个移动部件(Verlagerungselement)29的一个端部28相连接，该移动部件在一个与端部28相反的端部30上设有刀具夹19。在此，刀具夹19接收一个构造成刺锯31的刀具32。在设在构成角20的支承部件21的第二臂33上的保持区域47及平行布置的移动部件29之间具有两个平行布置的、作为弯曲弹性的弹性臂34，35构成(尤其构成板簧形式的弹性臂)的复位部件36，37。这些弹性臂34，35各在其第一端部38，39上与移动部件29垂直地刚性地固定在该移动部件的端部28，30上。这些弹性臂34，35的与第一端部38，39相反的第二端部40，41刚性地固定在保持区域47上(或直接固定在角20的第二臂33上)，其中弹性臂34，35与第二臂33的纵向垂直地布置。在移动部件29的区域中具有一个与支承部件21刚性地连接的位置检测装置42。该位置检测装置42通过电导线43与一个控制单元45的调节器44相连接，该调节器将确定控制单元45的放大器46的功率。放大器46通过电导线43与该音圈电机23的线圈25相连接。保持区域47、构造成弹性臂34，35的复位部件36，37及移动部件29形成了一个被构造成平行导向装置48的导向装置49。

图2中所示的驱动装置15具有以下的功能：音圈电机23通过电磁线圈25周期性地被通电进行周期性的往复运动(双箭头50)及由此驱动移动部件29。移动部件29与刀具夹19、刀具32及部分的弹性臂34及35一起具有一个振荡系统52的运动质量M。在此，运动质量M在一个运动轨道51上由导向装置49导向。在此，该运动轨道51是一个由弹性臂34，35的弯曲弹性预给定的、主要是线性的上下运动，视弹性臂34，35的长度与振荡系统52的振幅的长度比而定，该上下运动在往复运动的止点的区域中具有侧向定向的分量。因此该往复运动是一个由线性往复运动及一个往复摆动运动合成的运动，其中在该实施例中移动部件29、刀具夹19及刀具32始终与支承部件21的第二臂33平行地被导向。通过位置检测装置42的信号反馈给控制单元45形成一个调节回路，在该调节回路中调节器44根据位置检测装置42的信号通过与一个给定值的比较给出用于放大器46的控制信号及由此确定音圈电机23的驱动力。通过该调节尤其可使振荡系统52的振幅被调节到恒定，而与振荡系统52的阻尼有多强无关。在此，振荡系统52的阻尼由空气摩擦的摩擦阻尼及-在工作负荷时-由刀具32与一个未示出的工件的相互作用时的摩擦阻尼组成。如果振荡系统52的阻尼仅是由非常小的空气摩擦来确定，则在空转中维持振荡幅值仅必需施加很小的能量。为了限制振荡系统52的最大摆动，第一臂22具有一个止动件53。移动部件29的一个横向部件54伸入到止动件53的凹口55中。该凹口55的上端止挡56及下端止挡57限制了振荡系统52或刀具32的运动轨道51。

图3示出一个强制阻尼振荡的振荡系统的原理图。该振荡系统由一个质量为M的振荡质量体58、一个弹簧常数为K的弹簧59及一个振荡阻尼器60组成，其中摩擦由一个具有阻尼系数λ的恒定摩擦力来产生。在此，质量体58或它的重心61相对一个固定不动的部件62往复地振荡(双箭头63)。在图示的情况下，该重心61相对重心61的虚线所示的平衡位置(S＝0的零位置)向着固定不动的部件62的方向移动了。振荡系统64通过一个——例如作用在质量体58上的——驱动力(箭头65)激励成振荡，以致形成被强制地阻尼的振荡。在此，例如由一个振荡激励装置(直线电机67)施加的驱动力(箭头65)的方向与振荡方向(双箭头63)平行地定向。振荡阻尼器60在该原理图中被构造成气体或液体阻尼器，其中一个活塞对一种介质加压，以致形成摩擦。

实际的振荡系统52的振荡特性可通过简化的振荡系统64来确定。由质量体58、弹簧59及振荡阻尼器60组成的振荡系统64具有一个固有频率f₀或一个相应的角频率ω₀：

ω₀＝2.π.f₀，其中ω₀ ²＝K/M。

该振荡系统64基于由振荡阻尼器60进行的阻尼而实施一个被阻尼的(谐振的)振荡，其中该振荡的幅值-即最大摆动-随时间指数地下降。为了产生具有频率f的强制振荡所需的驱动力(箭头65)与激励的频率f及固有频率f₀相关，在该强制振荡时振荡系统64的振荡幅值不下降，而是保持恒定。在图4的曲线图中表示出该所需的力F(f)。在该曲线图的纵坐标上以牛顿(N)为单位记录力F及在横坐标上以赫兹(Hz)为单位记录频率f。曲线F(f)表示为了在频率范围0至60Hz中得到恒定的幅值Z₀所需的驱动力的曲线。曲线F(f)表示出在频率约为42Hz时的一个显著的最小值，其中，该频率相应于振荡系统52，64的固有频率f₀。在向着更小及更大的频率f方向上，所需的驱动力F(f)曲线均增大。该曲线F(f)在数学上可由以下公式给出：

$F\left(f\right)=Z_0\sqrt{K^2{(1-f^2/f_0^2)}^2+{\mathrm{\λ}}^2\·{(2\·\mathrm{\π}\·f)}^2}$

该公式由运动方程

$M\stackrel{\·\·}{s}+\mathrm{\λ}\stackrel{\·}{s}+\mathrm{Ks}=F\left(t\right)$

通过质量M、粘度λ、弹簧常数K、摆动量s及其一次及二次时间导数来得到。

在固有频率f₀方面，力F(f)等于摩擦力，它由振荡阻尼器中介质的阻尼常数λ及幅值Z₀根据以下公式来得到：

F(f₀)＝Z₀.λ.ω₀

在此，摩擦力正比于振荡阻尼器60中活塞或质量体58的速度。在音圈电机23的情况下，所需的电流正比于产生的力，以致对于所需的功率有：

P(f)＝((F(f)/E)²·R

其中E是音圈电机的单位为牛顿/安培(N/A)的力特性(力常数)及R是电阻。该所需的功率P(f)如激励力F(f)那样在固有频率f₀时具有一个最小值，其中

及与时间t相关地得到：

图5至9示出驱动单元的多个实施例，它们基本上相应于图2的示意图。因此这里仅详细讨论其区别。图5示出在图2中示意性示出的驱动装置15的一个三维视图，但无控制单元45、位置检测装置42及止动件53。

图6示出驱动装置15的一个替代的实施形式。移动部件29不是直接设置在这些弯曲弹性的弹性臂34，35的第一端部38，39上。在移动部件29与这些弹性臂34，35的第一端部38，39之间设有一个作为T形固定部件68构成的固定部件69，该固定部件在其T的横边72的端部70，71上与弹性臂34，35刚性地连接及在T的纵边74的端部73上与横向于T的纵边74定向的移动部件29刚性地连接。弹性臂34，35分别在其纵向延伸的中间区段75，76中具有一个透孔77，78，移动部件29无接触地穿过这些透孔延伸。通过该结构，振荡系统51的所有部件被布置在一个平面79中，以致可能的横向力被减小和/或通过相对平面79的很大程度上的对称被补偿。

在图7至9中所示的方案与图6中的实施例的区别仅在于固定部件69的构型。在图7中所示的固定部件69被构造成L形的固定部件80。在图8中所示的固定部件69被构造成F形的固定部件81及在图9中所示的固定部件69被构造成E形的固定部件82。图6至9的实施形式的弹性臂34，35的特征在于：所出现的力作用在弹性臂34，35的中间区段75，76中。在受负荷时，弹性臂34，35在其纵向延伸的中间具有最小的机械应力。

图10A示出根据本发明的驱动装置15的另一实施例，该实施例——除了驱动装置15的复位部件36，37的构型外——与图5的实施例相应。复位部件36，37被构造成平行布置的、刀片形的臂83，84，这些臂在其端部38，39，40，41上具有柔性的端部区域85，86，87，88，它们成对地用作复位部件36，37。在此，柔性的端部区域85，86，87，88的横截面如图10A及10B所示地被构造成矩形或变换地被构造成圆柱形或椭圆形。类似于图6至9地，一个固定部件49可在臂83，84的端部38，39与移动部件29之间建立连接。图10B以放大的区段示出柔性的端部区域87的构型。

图11示出一个驱动装置15，它的导向装置49被构造成平行导向装置48，其中复位部件89与导向装置49分离。平行导向装置48的很大程度上刚性的臂90，91被刚性地构成及在其端部38，39，40，41上通过铰链92，93，94，95与保持区域47及移动部件29铰接地连接。移动部件29在其端部28上具有一个横向设置的悬臂96，该悬臂与支承部件21的第一臂22平行地延伸。在悬臂96与第一臂22之间设有一个构造成螺旋弹簧97的复位部件89。螺旋弹簧97用其一个端部99支撑在第一臂22的底面100上及用其第二端部101支撑在悬臂96的端部区域102上。在此，得到以下功能：平行导向装置48在运动轨道51上导向移动部件29及由此导向刀具32，而螺旋弹簧97基本上仅用作用于振荡系统52的复位部件89。在图11的实施例中，移动部件29也可-类似于图6至9地-被固定在固定部件69上。

Claims (14)

1.一种用于工具机的刀具夹的驱动装置，具有一个驱动器及一个用于使刀具夹周期地往复运动的运动装置，其中，该驱动器(18)被构造成振荡激励装置(17)，用于激励一个振荡系统(52)的形成往复运动的振荡，其中该运动装置(1)及刀具夹(19)是该振荡系统(52)的部分或构成该振荡系统，并且该振荡激励装置(17)用该振荡系统的固有频率或大致其固有频率激励该振荡系统(52)，该运动装置(1)具有一个导向装置(49)，用于沿一个运动轨道(51)导向刀具夹(19)，其特征在于：该导向装置(49)被构造成平行导向装置(48)，所述平行导向装置可由多个平行定向的及相同结构的复位部件构成，其中这些复位部件为弯曲弹性的弹性臂。

2.根据权利要求1的驱动装置，其特征在于：该振荡激励装置(17)被构造成直线电机(67)。

3.根据以上权利要求中一项的驱动装置，其特征在于：该振荡系统(52)具有至少一个复位部件(36，37，89)，用于振荡系统(52)向着平衡位置的复位或辅助该复位。

4.根据权利要求1或2的驱动装置，其特征在于：所述弹性臂(34，35)用其纵向轴线垂直或近似垂直于所述运动轨道(51)地定向。

5.根据权利要求1或2的驱动装置，其特征在于：该平行导向装置(48)被一体地构成。

6.根据权利要求1或2的驱动装置，其特征在于：刀具(32)是振荡系统(52)的一部分及共同参与地确定该振荡系统的固有频率。

7.根据权利要求1或2的驱动装置，其特征在于：在用刀具(32)加工工件时产生摩擦，该摩擦阻尼振荡系统(52)的振荡。

8.根据权利要求1的驱动装置，其特征在于：所述工具机是手持式电动工具机。

9.根据权利要求1的驱动装置，其特征在于：所述工具机是电动刺锯机。

10.根据权利要求1的驱动装置，其特征在于：该振荡激励装置(17)被构造成音圈电机(23)。

11.根据权利要求1或2的驱动装置，其特征在于：该平行导向装置(48)被一体地由钢构成。

12.一种工具机，其特征在于：它具有根据以上权利要求中一项的驱动装置。

13.根据权利要求12的工具机，其特征在于：该工具机是手持式电动工具机。

14.根据权利要求12的工具机，其特征在于：该工具机是电动刺锯机。

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