CN102006957B - 具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机 - Google Patents

Abstract

一种便携式动力钻机，包括机架、钻孔工具以及两个单独供电和受控的电机，所述钻孔工具保持在驱动主轴上，所述电机用于使得所述驱动主轴旋转以及发生轴向进给。所述驱动主轴是旋转的并且相对于所述机架可轴向移动，并且经由包括支撑在所述驱动主轴上的两个锥齿轮的斜齿轮连接至驱动和进给电机。所述进给通过轴向锁定但旋转的螺母件以及所述驱动主轴上的外螺纹而实现，然而所述驱动电机通过所述驱动主轴上的长度方向的键槽以及一个锥齿轮中的配合的花键而以驱动方式连接至所述驱动主轴。所述驱动电机和所述进给电机是由可编程控制单元控制和监测的电动机。

Description

具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机

技术领域

本发明涉及一种便携式动力钻机，该动力钻机具有用于在钻孔操作中实现钻孔工具的旋转和进给的分开的诸装置。

背景技术

在现有技术中，动力钻机已经具有了液力驱动电机，所述液力驱动电机不仅设置成实现旋转，还经由特定传动装置在驱动主轴上施加轴向进给运动。这种传动装置包括用于将驱动电机两者均连接至驱动主轴以使得该驱动主轴旋转并且连接至螺纹传动装置以实现驱动主轴的轴向移动的装置。这些已知钻机的缺点在于，该传动装置给出了不可变的进给速率，在不对动力钻机进行拆解并更换该传动装置的元件的情况下，这种进给速率不能改变。因此，在钻孔的过程中完全没有可能改变进给速率，例如，在钻孔工具穿透不同材料层时完全没有可能具有不同的进给速率。换言之，在钻孔过程中已经没有可能改变钻孔参数，特别地已经没有可能改变进给速率，从而不能对钻孔操作中花费的时间和能量进行优化。例如，由于进给速率太大，在某些应用中钻孔工具和工作后的物体上快速磨损和/或损坏的风险比较大。另一方面，由于预先设置了较低的“安全第一”的进给速率，在很多钻孔操作上花费了太长的时间。现有技术设备的灵活性较差。

上述类型的动力钻机以前在文献US 3,797,583中进行了描述。

现有技术的动力钻机所涉及的另一问题在于，不可能监测钻孔操作并且不可能指示已经执行的操作是否给出了满意的结果。因此，不可能获得指示钻孔操作是否已经如愿执行的实际扭矩幅度、进给力等等的信息，即，不可能确定钻孔操作的质量。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的便携式动力钻机，其中驱动主轴旋转和进给运动是分离且独立地进行的，从而使得驱动主轴旋转和进给运动能够分离控制和监测，从而基本上改进了动力钻机的灵活性。

本发明的另一目的是提供一种具有独立和分离驱动主轴旋转和进给速率控制的便携式动力钻机，其中操作控制和监测单元布置为在钻孔操作的过程中瞬时控制并监测驱动主轴旋转和进给运动的钻孔参数值，并且布置为提供每个进行了的操作的质量的信息。

本发明的更进一步的目的和优点将会从以下说明书和权利要求书中得以体现。

在下文中以附图为参考具体描述了本发明的优选实施例。

附图说明

在附图中

图1显示了根据本发明的动力钻机的部分剖视侧视图。

图2显示了图1中的动力钻机的元件的立体示意图。

图3以较大比例显示了沿着图1中的线III-III的横截面。

具体实施方式

在附图中描述的动力钻机包括具有后部把手11的机架10、驱动主轴15以及电机壳13，该电机壳13容纳驱动电机和进给电机，这些将在下文中进行描述。把手11承载用于执行开关功能的扳机14，并且包括一些未示出的电子元件，所述电子元件用于处理来自于进给力和电机角度感测装置的信号，这些将在下文中进一步具体描述。在把手11中的电子元件经由缆线17连接至外部的操作控制单元16。

驱动主轴15是旋转的，并且相对于机架10是可纵向移动的，所述驱动主轴15在其前端携带任意一般可利用类型的钻孔工具(未示出)。机架10具有向前延伸的连接套管19，该连接套管19刚性固定至机架10并且在其前端形成锁定凸缘20，以连接至基体结构B。基体结构B牢固地固定至待钻孔的物体A，并且具有所需样式的多个开口C，以使动力钻机准确地定位在适于钻孔的正确位置。每一个开口C都具有与连接套管19的凸缘20紧密配合的凸缘D，以形成卡口式锁定，并且将进给力的反作用力从动力钻机传递至正被钻孔的物体。这是一种常规技术，不再进一步具体描述。机架10在其后端具有保护性的管状罩22，驱动主轴15在处于其后端位置时受到该管状罩22的保护。

驱动主轴15具有在其长度的主要部分上延伸的螺纹部分18，用于与螺母件21配合。该螺母件21是由具有内螺纹的锥齿轮形成的，该锥齿轮是旋转的但是相对于机架10在轴向是不可移动的，并且该锥齿轮经由小齿轮25连接至进给电机24。锥齿轮/螺母件21和小齿轮25一起形成进给机构，以实现驱动主轴15的前后进给。因此，进给电机24布置成相对于驱动主轴15成直角，该进给电机24优选地为具有减速装置26和内置角度传感器的无刷电动机，所述角度传感器用于产生对于进给电机24的角位置或运转进行响应的电信号。进给电机24具有来自控制和监测单元16的电力供给，并且设置成使锥齿轮/螺母件21在两个方向的任一方向上并且/或者以不同的速度大小进行旋转，以实现驱动主轴15的所需进给运动。该内容将在下文中进行描述。在锥齿轮/螺母件21和机架10之间具有表现为测压元件23形式的力传感器，通过该测压元件23获得了对于施加在驱动主轴15上的轴向负载或进给力进行响应的信号。

此外，驱动主轴15具有四个在长度上延伸的凹槽或键槽30，这些凹槽或键槽30以90度的角度间隔布置并且用于与锥齿轮32中的相应的花键31配合。锥齿轮32可旋转地在机架10中充当轴颈，并且与由驱动电机36驱动的小齿轮33啮合。通过花键/键槽的布置30、31，驱动主轴15能够在旋转地锁定至锥齿轮32的同时进行轴向移动，这就意味着驱动电机36能够经由锥齿轮32将驱动扭矩施加至驱动主轴15，而不论驱动主轴15的轴向位置和/或移动如何。优选地为无刷电动机的驱动电机36包括减速装置37和角度传感器，并且由控制单元16供电，从而实现驱动主轴15所需的旋转速度。

上述操作控制单元16是位于现场的固定单元，并且经由缆线17连接至动力钻机。控制单元16包括变压器，进给电机24和驱动电机36通过该变压器而具有了可变电压和频率的电力供给。控制单元16还包括电子可编程操作控制和监测装置，其中存储了一组或多组钻孔参数值，钻孔操作将会通过这些参数值来执行，以在不同材料中进行钻孔时获得满意的结果。每个参数组都包括用于驱动主轴旋转和进给速度的参数值，这些参数值适用于对一种特定的材料或者两种或更多材料的组合进行钻孔。控制单元还编程有操作参数的极限值，并且编程有一种方法，该方法用于将对于驱动电机和进给电机的实际角位置和速度、进给力等等进行响应的接收信号与存储的极限值进行比较，以给出是否已经超出这些极限值的指示，即，给出钻孔操作是否已经以满意的方式执行完的指示。

在操作中，动力钻机经由缆线17连接至控制单元16，该缆线17用于根据选定的一组操作参数值来接收电力，并且用于送回实际操作相关信号。驱动主轴15具有合适的钻孔工具，连接套管19与钻孔基体开口C形成锁定接合状态。当动力钻机安全地锁定至基体B时，操作者扣动扳机14，钻孔操作开始。进给机构的功能基于螺母件21和驱动主轴15的螺纹部分18之间的配合。

出于举例说明的目的，假定在某种情况下进给电机24保持为静止不动，这就意味着锥齿轮/螺母件21并不相对于机架10发生旋转。在这种情况下，驱动主轴15的进给运动仅仅由驱动主轴螺纹18的螺距决定，即，驱动主轴15的进给速度完全取决于驱动主轴15的旋转速度。换言之，进给速率(驱动主轴15的旋转速度和进给速度之间的关系)唯独由驱动主轴螺纹的螺距决定。

在另一举例说明的情况中，进给电机24发生运转而使得锥齿轮/螺母件21在与驱动主轴15相同的方向上旋转，并且锥齿轮/螺母件21的旋转速度与驱动主轴15的旋转速度相同。由于在这种情况下驱动主轴15和锥齿轮/螺母件21之间没有相对旋转，所以根本就不存在驱动主轴15的前后进给。然而，如果锥齿轮/螺母件21在与驱动主轴15相同的方向上旋转，但锥齿轮/螺母件21是以较低的速度旋转，则在驱动主轴15的向前方向上会有降低速度的进给运动。然而，如果进给电机24运转而使得锥齿轮/螺母件21以比驱动主轴15高的速度旋转，就会实现驱动主轴15的倒退运动，即，在完成的钻孔操作之后的驱动主轴15的回缩运动。因此，通过使得进给电机24反转并且使得锥齿轮/螺母件21反向旋转，能够获得驱动主轴15的非常快的进给运动。

取决于待通过钻孔而穿透的工件A的结构和材料，从最初存储在控制单元16中的参数组中选择合适的参数组。工件A的材料可以是均匀的，即，遍及整个工件都只包括具有不变性质的单一的一种材料，这就意味着选择具有特定驱动主轴速度和特定进给速度的参数组，以适于给出既考虑效率又考虑满意结果的最优钻孔操作。所述参数组也考虑待钻的孔的尺寸和使用的钻孔工具的类型来选择。

进给电机24和驱动电机36都具有角度编码器，电机的旋转运动通过该角度编码器而被准确地测量。电机24、36的速度通过控制所供电力的电压和频率幅度而由控制单元16准确地确定。这就使得控制单元16能够在整个钻孔过程中非常准确地对操作进行控制。通过使用来自于驱动和进给电机的角度编码器的信号，能够连续地计算驱动主轴的位置并在所供电力的参数值中进行瞬时的改变。考虑到驱动主轴的瞬时的移动和/或位置以及施加在驱动主轴上的轴向进给力，通过连续地分析在操作的过程中瞬时施加的扭矩，还能够确定钻孔操作是否已经如期望的那样进行了。实际进给力由测压元件23指示。这反而提供了实现收回(make retrievable)并且存储每个被钻的孔的钻孔数据的可能性，用于对所执行的钻孔操作的结果和质量进行后钻孔分析。

本发明的关键特征是用于驱动主轴旋转的电动机以及用于进给移动的电动机的使用，所述电动机特别地为根据编程的参数组而供有可变频率和电压幅度的电力的无刷电机，因为这种类型的电机能够瞬时地并且非常准确地对过程进行控制，以对在每次钻孔操作中经历的进给和驱动主轴阻力中的即时变化进行补偿。例如，在钻孔工具和工件之间的最初接触中出现的扭矩峰值以及在工件完全穿透时的突然的扭矩下降通过能量参数值的瞬间适应性都容易得到补偿。根据编程的参数组或者根据在持续的钻孔操作中出现的改变能够获得电力参数值的非常快的改变，这种可能性也能够使钻孔参数瞬时地适合以三明治式的组合方式包括两种或者更多材料的工件，以在穿过工具的整个过程中获得准确的钻孔数据。控制单元16被编程，以通过保持供给的频率恒定而保持驱动电机36的速度恒定，并且瞬时地调整输出电压，以对在钻孔工具上的扭矩阻力中出现的改变进行补偿。

因此，通过连续监测驱动主轴15上的扭矩阻力和轴向负载，控制单元16能够检测钻孔工具和工件之间的最初接触，并且能够检测在操作完成钻孔工具穿透工件时的准确时刻。这就意味着驱动主轴的反转运动可以自动开始，由于控制单元16也连续计算驱动主轴15的轴向位置，所以在驱动主轴15的反向运动过程中也能够在到达驱动主轴15的后端位置时实现驱动和进给轴的自动关断。

Claims (8)

1.一种具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机，包括：机架(10)；驱动电机(36)；旋转驱动主轴(15)，其相对于所述机架(10)在轴向是可移动的，用于进行进给运动；钻孔工具，其保持在所述驱动主轴(15)的前端；联接器(30-33)，其用于将旋转运动从所述驱动电机(36)传递至所述驱动主轴(15)，而不论所述驱动主轴(15)的轴向移动如何；以及进给机构(18、21、25)，其用于所述驱动主轴(15)的轴向移动，

其特征在于，所述进给机构(18、21、25)包括

·所述驱动主轴(15)的螺纹部分(18)，

·螺母件(21)，该螺母件是旋转的但是相对于所述机架(10)在轴向是不可移动的，并且布置为与所述螺纹部分(18)配合，以及

·进给电机(24)，所述进给电机联接至所述螺母件(21)并且布置为以不同的速度水平和/或方向使得所述螺母件(21)旋转，以在钻孔的过程中改变所述驱动主轴(15)的进给速率。

2.根据权利要求1所述的具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机，其特征在于，所述驱动电机(36)的操作以及所述进给电机(24)的操作被可编程控制单元(16)连续地控制，从而调整所述进给电机(24)的旋转方向和/或速度，因而使进给速率适合在实际钻孔中瞬间所需要的操作参数。

3.根据权利要求2所述的具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机，其特征在于，所述驱动电机(36)以及所述进给电机(24)是根据编程的操作参数值经由所述控制单元(16)单独供能的电动机。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机，其特征在于，所述驱动电机(36)和所述进给电机(24)布置成相对于驱动主轴(15)成直角，所述联接器(30-33)和所述进给机构(18、21、25)分别包括锥齿轮(32、33；21、25)，其中所述螺母件(21)包括锥齿轮。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机，其特征在于，负载传感器(23)布置在所述螺母件(21)和所述机架(10)之间，并且布置为提供对于施加在所述驱动主轴(15)上的实际进给力进行响应的信号。

6.根据权利要求2所述的具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机，其特征在于，所述控制单元(16)以一组或多组钻孔参数值进行编程，所述一组或多组钻孔参数值选择为在不同的钻孔条件下以最优方式对所述驱动电机(36)和所述进给电机(24)的动作进行控制。

7.根据权利要求2或6所述的具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机，其特征在于，所述驱动电机(36)和所述进给电机(24)是无刷电机，所述控制单元(16)布置为将电力供给至可变电压和频率的所述驱动电机(36)和所述进给电机(24)。

8.根据权利要求2或6所述的具有钻孔工具旋转和进给装置的便携式动力钻机，其特征在于，所述控制单元(16)

·以可接受操作参数值的极限值进行编程，并且布置为

·检测实际操作参数值，

·将所述实际操作参数值与所述编程的极限值进行比较，并且

·产生所述实际操作参数值是否在所述极限值的范围之内的指示。

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