专利名称：驱动飞轮的紧固件驱动工具和驱动单元的制作方法
技术领域：
本发明广泛地涉及一种用于将能量脉冲提供给工件的装置，更具体地说，所涉及的是一种用于驱动具有可动工件的工具、器具和装置的单元。本发明也广泛地涉及一种紧固件电动驱动工具，更具体地说，所涉及的是一种紧固件驱动工具以及用于使工具的飞轮与驱动器相连接的圆锥形离合器，该驱动器用于连接并驱动紧固件。
以往当要求用大的能量冲击力去操作一个紧固件打击工具(例如锤钉机或钉书机)来建造构件时，通常用气动压力去驱动这类工具。气动压力的紧固件打击工具，众所周知要求有一个设置在现场的压缩机，这样的工具能将一枚3寸或更长的钉子或钉书钉打入木结构中，例如硬度为2×4S的木结构中。
电驱动工具，诸如螺线管操作的紧固件打击工具也是众所周知的。这些工具基本上只用于轻负荷的场合，例如打击1寸的角钉，而不能用在建筑物件的2-4寸的钉子上。
在不依靠压缩机而提供重负载，即高动力紧固件打击工具方面已经花费了相当大的精力，一个可替代的办法是使用飞轮作为一个传送足以驱动重负载的紧固件打击器的运动能量的装置。这类系统的例子在美国专利4042036；4121745；4204622和4298072以及英国专利2000716中已有过公开。
尽管在发展飞轮驱动紧固件打击工具方面已经花费了大量的时间，然而这类工具仍然存在它们特有的问题。例如在使用两个飞轮的工具中，实际上需要为每个飞轮提供分开的电机。这两个电机将给工具增加可观的重量和体积，并且难以做到同步。另一个办法是在电机轴上安装一个飞轮然后通过一系列的皮带和皮带轮或链条和链轮驱动第二个飞轮。这类驱动方式十分复杂，难以调节并且容易磨损。
在这类工具中另一个有问题的方面包括该设备要使一个飞轮作朝向和离开另一个飞轮的方向运动。例如一个运动的飞轮最好被移动至与相邻的飞轮一起形成的操作位置中，动轮的圆周与静止轮的圆周相隔的距离应小于驱动器最厚部分的公称厚度，以便能撞击两轮之间的驱动器。然后运动飞轮被向相反方向移动到非操作位置，这时动轮和静轮圆周的间隔应大于驱动器的最大公称厚度，以便能返回作另一次打击。所以这种使一个飞轮相对另一个产生这种移动的系统十分复杂并且无法都满意。
在这种工具中至今令人关心的另一个问题是使驱动器从驱动冲击端返回到其正常的收缩位置的手段。为此已经发展了一套弹簧，皮带轮和弹性绳的复杂系统。然而这样的系统已经被证明由于受负荷、润滑剂以及工具壳体内的外部材料的影响，易于磨损、伸长和变质。当使用弹簧时，若其冲击或行程范围太大，弹簧将提早损坏而要求更换。在其它系统中，采用了一个动力返回轮子和一个惰性轮子在驱动冲击后该惰性轮子将一个自由的浮动驱动器移动到其正常位置，发现这些系统也难以满足要求。
除这些考虑以外，当考虑用飞轮作为能量装置时，使用这种工具还可能出现其它的问题。特别地，当启动或转动飞轮动力工具时，能量从飞轮转移到紧固件打击器或垂体上，例如用于打击紧固件。实质上，飞轮以能提供足够的转动惯性的某一速度转动，这样当飞轮耦合到紧固件打击器时才有足够的动力去将长的结构紧固件打入目标。例如，典型的结构紧固件有大约3—到4寸长，需要50马力的动力才能将其全部钉入木头。
当使用飞轮驱动打击器时，明显要消耗飞轮的能量，降低飞轮的期望的起动或开始速度。所以在打击器能够以同一动力作重复地驱动操作以前，必须使飞轮的速度回复到期望的或起始的速度。然而将飞轮往回加速到要求的或设定的速度的时间可能远远滞后于用户希望设置另一个紧固件的频率。换言之，已知的在这种工具中的飞轮能量系统的结构局限性限制了它们的使用频率或使用重复速率。
同时飞轮能量系统可能被要求设计成仅在时间增量增加的全过程中传递几个相似动力的能量脉冲，当飞轮向下转动时，这种操作如一个实际物体一样是难以控制的。所以最好是提供一种飞轮操作工具，它能在由通常使用频率所要求的时间间隔内，将飞轮快速加速到要求的或起始的速度。
一个有关的考虑是飞轮被加速到的那个要求的速度应是可重复地和一致地被回复和精确地调节的所要求速度的过调节，调节不足或移动会导致紧固件驱动力过大或不足，因而，使紧固件设置太深或不够深。
紧固件驱动方面的另一个考虑，是紧固件长度或外形的变化以及要钉入紧固件的材料的变化。因此，最好是调节高负载紧固件驱动工具适应这种变化，同时又能在选定的操作范围内快速一致地重复紧固件驱动操作。
更精确地说，给定了飞轮的机械和尺寸说明，知道了工具必须施加的驱动力，就可以确定飞轮要求的角速度范围。为了使驱动动作具有必需的一致性和可重复性，并且不对紧固件过驱动或驱动不足，连接飞轮的电机的速度必须被调整到在±1％以内。一个适合驱动力范围要求的典型的电机角速度的可选择范围为7000转/分到15000转/分，当采用重量为0.87磅的飞轮时，其惯性力矩为4.016×10-4ft.-1bs.sec2。此外，当此工具打击紧固件时，紧固件动能将增加而飞轮的速度将减少。电机必须在500毫秒内被反向加速到选定的速度。同时电机和它的控制对高噪声环境，例如，其它高动力设备产生的辐射噪声和动力线噪声以及电机自身的电刷噪声无响应也是十分必要的。此外，打击工具常常用于钩搭的临时电源的环境中，其中电压脉动是频繁和剧烈的，为了商业上有生命力，电机和它的控制设备必须重量轻，价格便宜，并是一种便携式手持工具。
对于各种不同类型的电机现在已知存在着多种电机速度控制系统。例如摩托罗拉的TDA1085c是一种集成电路元件，它采用具有电压比较速度反馈环的三端双向可控硅相角控制，提供一种通用电机的速度控制。在许多资料中电机速度控制是利用锁相环作为无电刷直流电机的基本控制的。在通用的交/直流电机控制中使用锁相环代替相角控制的理论和实践也是公知的。此外，现有的便携式手持工具其速度是可选择的。但是，这些系统在性质上是典型的开环系统，不需要精确地闭环速度控制，这种开环速度控制系统可以通过将送到电机上的电源在半波和全波之间打开来获得，或通过在电路中接入或断开选定的电机线圈或通过机械啮合来实现。而对电池供电的便携式手持工具典型地是向永磁线圈电机施加脉宽调制电流实现控制。
这些已知的电路没有一种能为手持便携装置中使用的通用交/直流电机提供一种具有本发明的速度范围、精度和反应时间要求的速度控制电路。
因此，在工业上尚无法提供一种可靠、轻便、相对简单的机电紧固件打击工具，并且这种工具能有效地、一致和可重复地打击各种尺寸的紧固件、特别是在重负荷构件应用中需要的尺寸的紧固件。
对电动工具，特别是具有飞轮操作的或其它手持工具的进一步的考虑是打击单元的重量和花费。具有先进技术的速度控制的马达可能非常笨重和昂贵。所以，以相对较低的价格为紧固件打击工具或为工具、器械或其他装置的打击单元提供一种相对轻便的速度控制电机是人们所期望的。
本发明另一方面也注意到许多工具和器具是手持的或者用手来操纵的。在这样的应用场合中，不仅需要提供一种相对轻型的能源，同时也需要获得得到平衡的工具或器具。在上面鉴定的已有应用中，紧固件打击工具是由电机带动的飞轮提供动力的，此时两个飞轮和电机位于该工具的前端。这种装置的重力中心是向前的，使工具保持平衡是困难的。另一方面，从飞轮上移走电机要求对驱动进行耦合或延伸，这样会增加工具的重量和消耗有效动力。这可能要求用一个大的电机，并且附件的重量增加。所以提供一个改进的、有良好平衡的手持紧固件打击工具和一个便于和该手持工具平衡的打击单元是人们的希望。
同时，对紧固件打击工具和它们的具体应用来说前面提到的考虑是重要的，许多工具、器械和装置的操作，要求对工作部件施加起动力或能量脉冲。许多这样的设备仅需对去完成任务的器械或部件作一次短暂或有限的动作。除了上面提到的飞轮和气动系统外，现时这种设备还有通过电机或螺线管，例如通过内部燃烧装置，弹簧或其他装置，以电力或液压作为动力的。仅作为例子，除紧固件驱动工具外，要求或使用各种能源去移动工作部件的装置包括，纸片打孔机，材料冲压机，剪床，切割机，修剪机，扳钳，齿形压辊，铆钉机，粉磨机，打夯机，充气机，制动闸，凿刀，材料处理装置，锤床，锤钻，轧光机，泵，压花机，夹持器和许多其它工具和器械，最好为这些工具提供一个改进的打击或动力单元。
本发明的一个目的是提供一种经过改进的用于为工件提供能量脉冲的装置。
本发明的另一个目的是提供一种经过改进的装置，用于将飞轮所产生的能量脉冲提供给工具或器具的紧固件驱动器或工件。
本发明的再一个目的是提供一种动力装置及其控制电路，用于以选定的转速驱动飞轮，并能在转速下降后快速地恢复上述转速。
本发明的再一个目的是提供一种经过改进的采用飞轮驱动的紧固件驱动装置，它能够以所需的循环频率产生所需的能量脉冲。
本发明的再一个目的是提供一种经过改进的手持式电动工具。
为实现这些目标，本发明的一个优选的实施方案包括一个以可操作的方式安装在一个紧固件打击工具中的动力或打击单元。一个安装在工具壳体中的飞轮，一个从壳体向后伸出的手柄，它具有一个电机用来驱动安装在壳体远端的飞轮。一根与电机匹配的驱动轴，它具有一个有螺旋斜角齿的小齿轮与飞轮上相类似的齿相啮合。电机的重量在手柄后部同工具的壳体及其组件趋向平衡，所以整个工具有平衡感。
一个安装在壳体中的鼓形物，它包括一个第一圆周表面，被固定在鼓形物上的第一驱动缆绳，以便当鼓转动时该驱动缆绳缠绕在鼓的表面。一个圆锥型离合器用来有选择地和间歇地实现飞轮与鼓的相互接触，以便给予鼓一个能量脉冲使其转动，并使缆绳缠绕在鼓上。缆绳的另一端附在固定器的驱动器上。当鼓转动时，缆绳便缠绕到鼓上并拉着驱动器去啮合和打击紧固件。存贮在飞轮中的能量就这样通过鼓、缆绳和紧固件打击器被传递给紧固件。
在鼓形物上还可操作地固定着另一个或称第二圆周表面，该圆周的直径最好略小于第一圆周表面。一根第二或称返回缆绳附在第二圆周表面上并当鼓被飞轮转动时缠绕在其上。第二返回缆绳的另一端系附在弹簧线圈上，当返回缆绳被缠绕时弹簧被压缩。在离合器将鼓从飞轮上脱开以后，该弹簧就伸长并使第二返回缆绳拉紧，使鼓反转并推动第一缆绳和固定器驱动器回到起始位置。由于返回缆绳的缠绕表面具有略小于驱动缆绳表面的直径，所以当鼓被飞轮和离合器起动时，第二返回缆绳移动的距离不如驱动缆绳多。无论工具的伸长循环动作如何，所述弹簧的路程应控制在以不使弹簧过分受力或疲劳的一个范围内。
触发后动联杆和轴向可伸长的起动器起动离合器使飞轮和鼓瞬间相互接触。该起动器的结构和操作性能同结合在此作为参考的在先申请的相似。
本发明采用一种相对简单的并且不昂贵的交/直流电机。一种控制操纵电机从某一速度运转，该速度依据固定器的长度和形状以及目标的参数选定。这种控制用于加速电机和使飞轮返回到起始的速度仅有大约500毫秒的很短的延滞，正好处于在希望的使用频率的时间间隔内。
该通用的交/直流电机的速度是用一个三端双向可控硅功率开关响应具有锁相环速度控制的电机控制通过对交流信号的相位角进行开关来完成的。该三端双向可控硅功率开关接在交流电源和电机之间，并且具有一个触发输入用于控制加到电机的交流信号。一个模拟参考电路响应交流信号并且在交流信号的每个过零点起动一个斜波信号。该斜波信号的持续期大约和交流信号过零点之间的时间段相等。
一个速度命令电路提供速度命令信号，该信号具有一个参考频率，它代表电机的几种可供选择的速度之一。一个反馈电路响应电机的转数并产生一个反馈信号，该信号具有代表电机实际速度的反馈频率。一个相位探测测器产生一个代表速度命令与反馈信号之间的相位差的差错信号，它是经过低通滤波器平均过的。一个比较器它在每个斜波信号发生期间产生一个作为探测到的相位差的函数的触发脉冲，送到三端双向可控硅功率开关。触发信号的前沿在斜波信号期间的某个时刻发生，它由参考频率和反馈频率的相位差决定。触发脉冲作为相位差的函数使三端双向可控硅开关，并且交流信号被施加到电机上去锁住速度命令和反馈信号的相位，借此维持实际电机速度和希望的电机速度相等。
本发明的优点是通过采用锁相环转速控制电路来检测转速指令和反馈信号之间的相位差，能够精确地控制并调节电机的转速。本发明的另一个优点是上述转速指令和反馈信号不容易受到噪音的影响。本发明的再一个优点是对于电机的实际转速和所需转速之间的偏差具有很快的相应速度。此外，上述精度和相应速度是通过控制一个三端双向可控硅电源开关的导通相位角来获得的。
本发明用于紧固件打击工具时，还可以包含一个紧固件料箱，它是倾斜曲线型的，并且从打击器下方的前部位通向后朝着放置在手柄各部的电机延伸，并部分地包围手柄，帮助工具平衡。
当然，上面描述的动力或驱动单元可以用于各种工具、器械或其他装置，给它们的可动部件或工作部件一个能量脉冲。这样的单元包含有电机、电机控制驱动轴、飞轮、鼓、驱动和返回缆绳、离合器触发器联杆和离合器起动器。在这里并不关心平衡和可携带性，电机可以安装成直接驱动飞轮的形式。采用本发明的手持工具还可能包含一个工具壳体，一个从中延伸出来的手柄，一个位于手柄远端的电机和一根通手柄使电机和壳体内的飞轮相匹配的心轴，同时还有一种用来在最短时间内将电机和飞轮加速到预定速度的控制系统。
这些和其他的目的以及优点从下述对发明的详细说明和其中的附图中将变得十分明显。
图1是采用本发明的紧固件打击工具的侧面视图；图2是图1中的工具的前向视度，其中部分截面图是沿图1中的2-2线截取的，通常是在图2的3-3线上截取的；图3是图1中工具在部分截面下的放大侧视图，截面是在图2中3A-3A线上截取的图3A是图1中工具另一侧的放大截面图；图4是沿图1中4-4线截取的截面图，表示了工具在未起动条件下的情况，图4A是象图4一样，沿着图1中4A-4A线截取的截面图，表示工具在离合器刚啮合的状况；图5是沿图4的5-5线截取的截面图；图5A是沿图4A的5A-5A线截取的截面图，说明在离合器啮合以后的充分起动条件下该工具的状况；图6是图1中工具的飞轮、鼓、离合器、起动器组件和触发器联杆的分解图；图7是图1中工具的起动器组件的展开和放大图；图8A-8E证明图1中工具各组件的操作次序，此处，触发器被首先啮合，然后带着工作接触元件(“WCE”)与目标接触并使工具转动。
图9A-9C说明在WCE首先被啮合，然后触发器被啮合使工具转动时，图1中工具各组件的操作次序图10是本发明的电机控制的示意方块图；图11是电机控制的线路图，更详细地说明了图10所示的电机控制系统各组件的连接。
现在转向附图，图中以紧固器打击工具10的形式说明了发明的最佳实施例，图5A中，紧固驱动工具10用于将钉子“N”之类紧固件打入2×4S的结构件“W”中。这将被理解为本发明的最佳实施例包括一种驱动单元，它能够用于工作元件或部件必须经过一种冲击，例如工具10的驱动器的冲击才能得到动力的各种工具或器械。
工具10包含一个外壳件11，一个手柄12和一个料箱15，其中手柄12具有一个朝前的端部13和一个朝后的端部14。料箱15在手柄12的后端14并通过托架19在工具外壳体11的朝前端17上安装。托架16起支脚作用，当放置在水平表面上时，支承工具保持竖直的位置。
图2中表示了料箱15的细节。料箱从前到后是曲线形的并且还是倾斜的。料箱的前端借助托架19同工具的突出片18相互连接。通过这种相互连接，料箱可以将紧固件一个接着一个传送到在突出片区域的某个位置或打击点，由此当工具循环或运转时，可以将紧固件打入。紧固件被从料箱逐一地传送到打击器的端部的打击点打入目标。
料箱的曲线形状是围绕着手柄12的左侧朝外延伸的。所以手柄仍然能由使用者用右手或左手来抓紧。
回到图1，电机“M”位于手柄12的后部14并且用适当的导线，例如由20表示的导线连接到电源上用来开动电机。一个速度显示器和一个指形轮或其他电机速度选择器位于外壳11的由数字21指明的通常区域上，以便工具的使用者能够根据要打入紧固件的长度和形状以及要打入紧固件的目标的参数选择预定的速度。
当然，料箱15是由弹簧偏置压紧的，以使能顶着钉子或钉书机一类紧固件一个接一个顺序进入突击片18的位置，被工具的打击器打击。
如这里说明的和接着将详细解释的，该工具由转动的飞轮供给能量，飞轮未在图1中显示，飞轮又由手柄12后部14的电机“M”驱动。为在电机通电转动时能带动飞轮旋转，在电机和飞轮之间有一根将两者相关连接的驱动轴22。正如将要描述的，驱动轴22经过手柄12从电机“M”朝后部14延伸，并经过手柄的前部13延伸到位于外壳11中的飞轮。
现在转到图3，图中以局部截面形式示出了该工具的某些内部组件。其中包含一个固定在轴承支承驱动轴22端部的小齿轮25。该小齿轮具有螺旋向的斜齿26。小齿轮25应被安装成使其斜齿26可与安装在轴31上可转动的飞轮30的相应的螺旋向斜齿27相啮合。工具10最好还包含一个机械式触发器35，它被压向图3中箭头所指的方向以循环起动工具10。当手柄12后部14的电机通电时，持续地驱动驱动轴22和小齿轮25，小齿轮将按如图3所示的沿顺时针方向转动飞轮30。这样，电机就直接耦合到飞轮上。
现在转到图5和5A，并且部分参见图4和4A，工具10还包含一个紧固件打击器40，它被安装成可在外壳11的前端的一个竖直定位管41中往复运动。细长的打击器40可以是任何合适的形状，例如圆杆状，螺栓状或者截面同要打击的紧固件打击器40也可以是平的并具有矩形的截面，或具有其它任何合适的外形。工具还包含一个用于打击器40的制动器43和连接盘42(图2)。打击器40从其上端所附的连接盘42向下延伸。
打击缆绳45的上端46系在连接盘42上。该缆绳最好是一种平的带子，包括塑料或合成材料粘合的多股绞合线。这种缆绳可从奥斯钦(Orschein)公司，莫勃立(Moberly)，密苏瑞(Missouri)买到。缆绳的下端47系在驱动打击器的设备上，这将于下面进行说明。
工具外壳11还包含一个放置返回弹簧50的管子49。弹簧50的上端同管子49的端帽51连接，返回缆绳52的上端也系在端帽51上。缆绳52的下端53也与驱动设备相互连接，使设备转动到预起动的条件，这将在下面说明。
现在先看一下图6，可以看到其中的轴31上安装有该工具的许多功能部件。从图6左手测的飞轮30开始，如图6所示，有一个圆锥形的离合器部件55，一个鼓式制动器56，一个鼓57，一个内球扳58，一个轴承罩59，一个外球扳60，推力轴承61，一个垫片62，弹簧63和一个棘齿环64。在图6中所示的这些元件是以分解形式表示的，它们被组装在轴31上的情况，也许在图4和4A中最清楚，内、外球扳58和60的细节还可以见图7。
然后参见图4，4A，6和7，飞轮30经旋转向斜齿27被驱动。飞轮具有一个截头圆锥的表面66(图4A)用于承接圆锥离合器55，并借助轴承68安装在轴67上可以自由地绕轴线31转动。圆锥离合器包括一个截头圆锥表面70，并用摩擦离合器材料71涂敷表面。当圆锥离合器55被压向飞轮30时，摩擦材料71将咬住飞轮的表面66，这样飞轮就驱动或转动圆锥离合器。
如图4和4A中清楚显示的，内球扳58包含一个管形凸出部73，它具有花键槽74(图6)。该凸出部73同其内球扳58借助管子75安装在轴67上并可以绕轴转动。圆锥离合器55具有多个内花键槽76，它同内球扳58的花键槽74相啮合，以便安装在凸出部73上的圆锥离合器55与其保持不可转动的关系。圆锥离合器55借助一个弹性膜片环77保持在凸出部73上。轴67上安装有一个弹簧79，其一端在管子75和内球扳58上，另一端顶在一个弹性膜片环或保持件80上，以便在沿轴线31的轴方向给圆锥离合器55和内球扳58加上偏置压力，通过弹簧79使它们离开飞轮30。鼓57包含多个内部花键槽81并且被安装在从内球扳58上延伸的凸出管73的花键槽74上，使两者一起驱动。鼓57还包含一个圆筒形的缆绳接收或缠绕表面82用于接受打击驱动缆绳45。
内球板58还具有一个凸台或上挡台85，它限定了一个圆周或圆筒形表面86，用于接收和缠绕返回缆绳52。该筒形缠绕表面86的直径和周长小于缠绕表面82的直径和周长。
从以上说明可知，当圆锥离合器55被飞轮30带动旋转时，这一啮合也将驱动内球扳58和鼓57，由此将缆绳45缠绕到鼓57的缠绕表面82上并将缆绳52缠绕到内球扳58的表面86上。
如图4和4A以及进一步由图7所示的，三个球形轴承88驻留在内球扳的口袋89、90和91以及外球扳60的相应的口袋92、93和94中。当然在图4和4A中由于采用截面图并且为清楚起见，每一张只表示出一个球。如图7所示，口袋89、90和91中每一个都有一个相应的尾随斜坡95、96和97，每个斜坡都是向上倾斜直到接上相应的滚道表面98、99、100。如图7所示，外球扳60的口袋92-94也有从口袋底部到相应的滚道104、105和106朝上逐渐变细的辅助斜坡101、102和103。内球扳包括一个拱型盾109。外球扳60包含一个凸台形的突起111，它有三个从其圆周表面115上沿经向凸起的三个挡块112、113和114。同时，外球扳60还包含多个从扳的外周围上沿经向凸起的棘齿117。
当内，外球扳58、60的相应的口袋对准时，球轴承88被容纳于口袋之中，这时内、外球扳的位置是相对靠得紧的，如图4所示此时球轴承88被保持在罩扳59中。另一方面，当内、外球扳58和60被相互相对驱动时，如下面将要说明的，球运动的结果将使两部件分离。
如图4A所示，当扳58和60被迫分离时，这个动作将既压缩弹簧63又压缩在圆锥离合器55一侧的弹簧79，驱动圆锥离合器55与飞轮30啮合，并如下将说明的，实现由飞轮30带动内球扳58和鼓57转动的目的。
现在回到图6看一下，棘齿环64在轴线31上紧邻着外球扳60。当工具处于图4所示条件下，外球扳60未进入棘齿环64中，所以不会受到棘齿环的影响。在此位置，酸模弹簧63使外球扳60和棘齿环64在轴向保持相分开的状态。然而当球轴承88迫使内、外球扳58、60分离时，外球扳60将沿轴向朝前运动并进入棘齿环64中，外球扳60的棘齿117将与棘齿环64的内部棘齿相啮合，这样在选定的部分操作程序期间，将阻止外球扳60转动。还是参见图6、图4和4A，如下面将说明的，一个止动部件120是同鼓57相互联接的，并用来与鼓式制动器56相互作用。
鼓式制动器56最好包含一个安装在托架124上的弹性体的减震件123。托架124适宜陷入工具外壳体11离开方管41的一侧的前部结构的一部分中并支承于此，以便将鼓式制动器固定在例如图5所示的位置上。
图5表示了未起动条件下工具的各种部件的情况，在此位置，鼓57未发生转动，缆绳45从鼓开始沿着方管41朝上延伸直到连接盘42，在此该缆绳被系在打击器40上。同时，缆绳的下端延伸入鼓体中的一条合适的槽或缺口并固定在哪里，例如通过将缆绳的一个增大的端头卡入鼓体的槽形缺口中，然后将缆绳沿着方管41中的打击器的侧面朝上位紧。与此同时，弹簧50被充分松开，返回缆绳52未缠绕在内球扳的表面86上。当工具被起动打击紧固件时，例如象图5A中所表示的，圆锥离合器和联带的鼓57按顺时针方向转动，如图5A所示。这样驱动缆绳45缠绕到鼓57的缠绕表面82上，并以极快的加速度拉着该缆绳向下运动。因为该缆绳的上端是系在打击器40上的，所以缆绳拉着打击器快速向下，这时如图5A指出的，这些能量被用于打击紧固件。同时，内球扳58的表面86也被转动并使返回缆绳52缠绕在上面。这样，弹簧50就被压紧，当打击周期一结束，弹簧50拉着返回缆绳52反弹伸长。这就使内球扳和鼓57产生逆时针转动，使鼓返回到开始的预起动状态并使打击器40升起。通过鼓57的这一弹簧的推动和缆绳45在朝上方向的放松，推动打击器40朝上升起。缆绳45和鼓57最好如图5A中显示的那样装在三个滚子或球轴承126上。这样，在返回弹簧50的作用下，鼓57就回转并使打击器返回到其未起动的状况，准备下一个循环。
如图3、5和5A所示，突出片18包含一个往复运动的工作接触元件128。如图5所示它在弹簧129的推动下朝下运动。在图5A中，工具处于起动状态，这意味着工作接触部件128已给同一个工作或目标撞击，并已使工作接触部件128逆着弹簧偏置力朝上运动，使弹簧129压缩。
如图3和3A所示，本发明包含一个防倒棘爪130，安装在轴131上。如图3所示，防倒棘爪130同外球扳60上的棘齿117相咬合，维持外球扳60不向相反方向，或顺时针方向转动。防倒棘爪130是由弹簧片132顶着同棘齿117相咬合的。如图3所示，棘爪130允许外球扳60作逆时针转动，如图所示这是借助棘爪本身的倾角和棘齿117的倾角配合实现的。在轴136上安装有另一个功能棘爪135，它是通过棘爪上一个比轴136大的长形孔137安装的，以便使棘爪不但能绕轴136转动，而且能在长形孔137的范围内相对轴作经向移动。如图3A中看到的棘爪135是借助弹簧138加有逆时针的偏置压力的。棘爪135被安装在轴136上，轴136受到固定在工具10上的托架139的支承。
为了使工具起动和循环工作，工具10利用了一个机械操纵的触发器和辅助的联杆。这个联杆的各部分遍及许多附图，然而，首先可参见图3，它说明了一个触发器连杆或曲杠杆145，它同销子安装在轴146上并用弹簧147加有逆时针的偏置压力。当触发器35从图3所示的虚线位置向上移动到实线位置时，其前端35A同曲杠杆145接触推动它作顺时针转动。联杆进一步还包含第一连杆148和第二连杆149。连杆148用枢轴150可转动地安装在方管41上，其另一端包含有一条槽孔151，槽孔中有一销轴152，销轴安装在曲杠杆145上。第二连杆149用枢轴153可转动的安装在第一连杆上。连杆149的一端有一枢轴157上面可转动地安装有一个起动棘爪156。弹簧158，如图3所示，围绕枢轴157对起动棘爪156加有逆时针方向的偏置压力。
工作接触部件连杆161也安装在方管41上用来控制挡块棘爪135。工作接触部件连杆161有一个斜坡表面162用来与销轴163协调啮合。当工作接触部件连杆161上开时，斜面162同销轴163啮合并使工作接触部件连杆161绕枢轴右转，如图3中所示，并离开挡块棘爪135的的尾端166。当连杆161运动时，与挡块棘爪135的突出140啮合的弹簧138将起作用，如图3A所示使棘爪135逆时针转动从而与挡块112、113或114中之一相啮合。
本发明的最佳实施例的工具在打击构筑紧固件方面是十分有用的，至少在将2寸到大约4寸长的紧固件完全打入木头方面是这样。已经证明，将一个典型的3—寸长的构筑紧固件，例如一枚钉子相对快速地打入诸如松木或云杉需要大约50马力的打击力。因此，飞轮30应有这样的质量和重量配置，即转速在大约7000转/分到15000转/分的范围内，才能将这样的紧固件打入这样的目标。根据这样的考虑，本发明中的飞轮30重量大约0.87磅，对轴线31的惯性力矩大约为4.016×10·4ft·-1bs.sec2。当然，不同的飞轮形状、重量、重力配置和速度能用来满足不同的应用。
在此最佳实施例的应用中，当3—寸长的钉子被打入木头时，飞轮的速度将从选定的大约7000-15000转/分的范围下降到大约4000-1000转/分的范围。但起始设置的希望的大约7000-15000转/分的速度，将在大约500毫秒内重新获得。
现在转到图8A到8E，它们描述了工具的操作过程。在这一特殊程序中，工具被操作到“底火”状态，换言之，触发器将被充分压缩，但工具将不点火起动，直到在该程序末端，工作接触部件被压到目标为止。
在图8A中，触发器35未被起动，安全装置128也未向目标撞击。因此，安全装置128被伸出，联杆处于休止状态，通常如图8A所示。防倒棘爪130处于维持外球扳60不向顺时针方向转动的位置。起动器棘爪156不在与外球板60的棘齿相啮合的位置。
转到图8B，触发器35已经运动到其中心线或中间位置，此时它已与触发器曲杠杆145啮合。触发器曲杠杆145被顺时针地稍微转动了一点，并使销轴152向下运动，带着连杆148朝下绕枢轴150逆时针运动。这样又带着安装连杆149的枢轴153朝下运动，如图8B所示。此时安全装置128仍然未同目标接触，其连杆161如图所示仍留在休止状态。
在转图8C，触发器已经被充分压缩，但安全装置128仍未与目标接触。此时，起动器棘爪156已经运动到与外球扳60上的一个棘齿117相啮合的位置。这一运动带动轴销152，以及枢轴153进一步向下运动，这样使起动器棘爪156运动到与棘齿117中的一个相啮合。安全装置连杆161仍在休止状态。
现在转到图8D，触发器35保留在充分啮合状态，安全装置128已经同目标例如木块“W”相接触，使附在工作接触部件128上的凸块169朝上运动，同连杆149的端部170啮合。这是借助朝向目标“W”的方向，推动工具而发生的。然而，此时连杆149尚未运动。
现在再转向图8E，工具10进一步压向木块W，安全装置128被向上压入工具外壳，这样，凸块169向上运动，推动连杆149的啮合端170并使该连杆绕枢轴153转动。这一转动使枢轴157朝下运动，借此拉着棘爪156向下并使外球扳60沿图8E所示的逆时针方向转动大约37度。同时，安全装置连杆161，由于在结构上同安全装置128关联，所以也被带着朝上运动，并且迎着在工具10前部的弹簧173的作用方向绕枢轴转动。与此同时，这一朝上的运动将挡块棘爪135的尾端166抬起，使其沿逆时针方向转动，因而脱开外球扳60的一个相应的挡块112、113或114如图8E所示。为更详细说明，可返回参见图3，用虚线表示的挡块113是同挡块棘爪135相啮合。该棘爪现在的运动，如图8E所示，将脱开这一挡块并允许外球扳60转动。安全装置128及其连杆161的运动，通过图中所示的联杆是同步的，以便在起动棘爪156操作拉动外球扳60逆时针转动时，挡块棘爪135能被移动脱开外球扳60棘爪135转动后从挡块上脱开并且成直线的抬起，停止在挡块的上方，这一动作是由长形孔137提供的。在这一位置，它不可能阻止外球扳60的转运。
触发器整个拉动的动作和安全装置128整个撞击的动作，起到了使外球扳60沿如图8A到8E所示的逆时针方向和如图7和图8E中的箭头175所示方向转动大约37度的作用。
现在回过来参见图4和4A，上面的操作程序发生后将使起动机械、圆锥离合器和飞轮从图4所示的状态变化到图4A所示的状态，这说明了正当实际打击或循环开始时的设备的状态，具体来说，外球扳60的转动，举例来说将带动斜坡101逆时针转动，这推动球轴承在轴向朝飞轮运动。因为球是被内球扳锁住的，所以外球扳60的斜坡101和内球扳58的口袋89和斜坡95之间的距离的减少，导致外球扳向轴向离开飞轮方向移动，同时使内球扳58对抗弹簧79向内偏置，朝飞轮移动。随着外球扳60进一步的转动，球轴承迫使两个球扳58和60进一步分离，弹簧63被压缩，最后圆锥离合器55被推动与飞轮30相接触，旋转的飞轮立即抓住圆锥离合器55并给予它一个顺时针方向的转动能量脉冲，如图8A-8E中所见的状况。这使内球扳58和鼓57都朝顺时针方向快速转动，并将驱动缆绳45卷到鼓的表面82上。当缆绳被快速缠卷时，它被张紧并朝下拉动打击器40，使其带着足够的能量和力度将钉子打入单层或多层木头“W”中(图5A)。显然，这一转动发生时，缆绳52将被缠绕到鼓57的另一表面86上。
在鼓到达如图5A所示的全部打击位置以前，内球扳58转动了一个足够长的距离，大约绕轴线31为203度时，以致它的口袋89、90和91与外球扳60的相应口袋对齐。在球轴承进入口袋的情况下，内球扳就可沿轴线31的轴向自由移动，由于弹簧79的驱动，它将离开飞轮30。当球轴承落入这些口袋中时，酸模弹簧63也将松开。通过弹簧79的作用，圆锥离合器55沿轴向移动离开飞轮30，也即圆锥离合器55和鼓57同飞轮及其代表的能量脱离接触。因此，在圆锥离合器和飞轮咬合的整个时间片断内，从飞轮通过圆锥离合器和鼓、打击器以及因而到达钉子，完成了一个能量脉冲的转移过程。在鼓57和飞轮刚脱离接触，鼓上伸展出的一个凸块120同鼓制动器56的弹性部件123啮合，使鼓在顺时针方向停止运动，图5A中表示了这个情况。
在上述情况发生的同时，鼓57和内球扳58及其圆筒形表面86转过同样的角度范围。因为返回缆绳52的一个增大的端头被卡在一条槽中用机械方法装入表面86中，所以当驱动缆绳45被缠绕在鼓57上时，返回缆绳52同时被缠绕在表面86上，由于缆绳52向下接紧与弹簧50的远端相应的端帽51，所以将压缩弹簧或使弹簧50承受载荷。当然，弹簧和缆绳的连接也可以安排成随着鼓缠绕，弹簧被拉伸或承载，其他合适的不同结构的弹簧也可以采用，但要求弹簧的轨迹简单。
一旦飞轮30和圆锥离合器55之间的啮合脱开，弹簧50对鼓57进行偏置的动作即可运行，现在，在图5A的例子中是使鼓由一个逆时针的位置返回到图5所示的位置。这个逆时针的运动使驱动缆绳45延展和松开，并推着打击器40朝上回到它的未起动的状态，并还可能出现该状态下的其它所有情况，例如，触发器仍保持被压缩状态，同时如图5A所示，安全装置被缩入到工具10中。在此过程中，内球扳58和外球扳60相互之间大约移动了240度。这个动作同被结合在此作为参考材料的申请人的在先申请中描述的情况是相象的。当然，在相应球扳中的口袋和斜坡的运动和相应球都是大体相似的，所以能提供一种平衡的起动。
图9A-9C说明了在首先使工作接触部件充分接解，然后再拉动触发器的情况下工具的起动过程。例如，在图9A中，工作接触部件128已经同木头表面例如“W”接触。这样将凸块169向上抬起与连杆149的末端170啮合并向上升高。然而，由于触发器35尚未处于啮合状态，触发器曲杠杆145并未转动，连杆148(在图9A中看不到)未被降低。这使连杆149留在一个朝上的位置，这样起动器棘爪156也不会与外球扳60上的任何棘齿117啮合。然而，请注意，工作接触部件连杆161已被抬起并绕枢轴转动，借此将挡块棘爪135的一端168抬高，这样该棘爪如图9A中看到的，在逆时针方向上产生了转动。正如上面提到的，挡块棘爪135上的孔137是细长形的。当弹簧138对挡块棘爪135加偏置压力时，它使棘爪稍微向左移动，如图9A中看到的(即如图3A中看到的向右)，这样挡块棘爪135的前端就移动到外球扳60上的辅助挡块的上方。此后，挡块棘爪135就处于任何挡块的顶部，即图中外球扳60的挡块下方，当触发器此后被拉动时，该棘爪对阻止外球扳60逆时针转动不再发生作用。
在图9B中，安全装置128仍保持与木头表面“W”完全接触并且触发器35已经移动到其半途或中心线位置，它使触发器曲杠杆145发生部分转动，从而使连杆148绕其枢轴150旋转，由此使连杆149稍有降低，并使起动器棘爪156同外球扳60的棘齿117啮合。如图9C所示，触发器35朝上继续运动，进一步使触发器曲杠杆145转动，使连杆148进一步绕枢轴150转动并进一步降低枢轴153和连杆149，这将带着起动棘爪156朝下。这一操作使外球扳60逆时针转动(沿箭头175)，正如上面所提到的，实现以上描述的工具循环的目的。
因此，使工具10循环或起动既可以通过首先推压触发器，然后向目标推压工作接触部件，又可以通过首先向目标推压工作接触部件，然后推压触发器。通过使触发器保持向上，该工具能够在工作接触部件的推压使工具循环或起动的条件下，重复地压向一个表面。
尽管本发明的最佳实施例是结合一个紧固件打击工具来说明的，但是由于该设备包含一个驱动或动力单元，因而可以适用于驱动许多工具，无论是手持的或不是手持的，或者在各种不同目的中用于给一个可动部件或可驱动工作部件的能量脉冲。
本发明具有向缠绕鼓57快速传送能量的优点，离合器能十分快速地与飞轮啮合来驱动鼓，并且能同样快速的离开飞轮将能量输入从鼓上移去，结果只是使鼓转动大约203度，它借助缆绳可以操作鼓，使可移动部件或紧固件打击器40运动。利用这种设备可提供一种相对较轻的手持工具，该工具它能产生足够的动力去打击紧固件，例如将能用于构筑场合的，3到4寸的钉子打入2×4S的用于典型的住宅房屋建筑的木头中去。
另一个优点是电机位于手柄12的后端部14有助于工具的平衡，因而使该工具易于握住和使用，使用者不易疲劳。
已经发现，从电机向飞轮转移能量方面螺旋斜齿具有独特的优点，在动力和速度方面没有不应有的损失，因而不需要不受人欢迎的较大的电机。
电机控制下面将对本发明的电机控制电路进行说明。
附图10是一个方框图，显示了用于调节交直流两用电机M转速的电机控制电路310。电机的一根引线314与120VAC、60Hz的电源316相连接，电机M的另一根引线318与电源开关320相连接，而该电源开关320通过导线324与交流电源316相连接。所述电源开关320包括一个三端双向可控硅开关元件321，它具有一个触发输入端322，用于控制三端双向可控硅开关元件321的工作。电源开关320通过在其触发输入端322上输入控制三端双向可控硅开关元件321的导通相位角的一个触发脉冲来控制引线324提供给电机M的交流信号。
如附图10所示的电机控制电路310具有一个转速指令电路326，用于在其输出端328上产生一个转速指令信号，该信号具有代表了所需电机M转速的基准频率。反馈电路330根据电机的转动，在其输出端332上产生一个其频率正比于电机M实际转速的反馈信号。相位检测器334根据所述转速指令和反馈信号，在输出端336上产生一个偏差信号，该偏差信号是所述转速指令和反馈信号之间相位差的函数。一个低通滤波器338与相位检测器334相连接，在其输出端340上产生一个平均偏差信号，该信号是所述输出端336上的偏差信号的函数。模拟基准电路342与电源334相连接，在其输出端346产生一个模拟基准信号。比较器348根据所述平均偏差信号和模拟基准信号在其输出端350上产生触发脉冲，该触发脉冲是模拟基准信号和平均偏差信号的函数。该脉冲控制三端双向可控硅开关元件321的相位角切换，而三端双向可控硅开关元件321控制通过输引线324提供给交直流两用电机M的交流信号，使输出端332上的反馈信号和输出端328上的转速指令信号相互锁相。
转速指令电路326具有一个选择开关352，它与电压源354相连接。选择开关352具有多个可选择的输入状态，它们对应于可供选择的所需电机转速。所需的电机转速是需要由电动工具所产生的力的函数。对于本实施例的电动紧固器，例如一个电动钉锤来说，选择开关352是根据钉子的大小或者需要将钉子打入到预定目标中的深度来标定的。一般说来，动力设定可以通过表格来表示，在表格中给出了对应于一定紧固长度、深度和目标的适当设定值。选择开关352具有若干输出端356，其数目与该开关的可选择状态数目相同。一个基准频率发生器358与选择开关352相连接，在其输出端328上产生一个转速指令信号，其频率代表用选择开关352工作所选择确定的所需电机转速。例如，根据选择开关352的10个可选择状态，基准频率发声器358相应地提供10个基准频率，其频率可以在例如4KHz-8KHz的范围内。显示器355根据选择开关352的状态为使用者提供所选输入值的指示。
反馈电路330包括一个反馈变送器360，它在附图10中用虚线362表示，它根据电机M的旋转来产生反馈信号。该反馈变送器360可以是任何能够响应于电机旋转的装置，它提供随电机M实际转速的变化而变化的输出信号。一个零点跨越检测器364与反馈变送器360相连接，其输出端332提供一个反馈信号，该反馈信号的频率与电机M的角转速成正比。
电源344与交流电源316相连接，其输出端366提供一个直流电平，用于为电机控制电路310中的其他部分提供电能。模拟基准电路342包括一个零点跨越检测器368，当来自交流电源316的交流信号跨越零点时在其输出端370上产生一个零点跨越同步信号。模拟基准电路342还包括一个锯齿波发生器372，其输出端346上产生模拟基准信号。所述模拟基准信号是一系列的锯齿波，每当交流信号跨越零点时就开始产生一个这样的锯齿波，当交流信号再一次跨越零点时停止前一个锯齿波的产生，同始开始产生下一个锯齿波。这样，采用其频率为60Hz的交流信号，就会产生频率为120Hz的锯齿波信号。该锯齿波信号是一个随时间变化的模拟基准信号，当它开始产生时具有最小的幅值，然后其幅值随着时间以线性关系增大，直到该锯齿波信号终止为止。比较器348对所述锯齿波信号和来自低通滤波器338的平均偏差信号进行比较，在平均偏差信号辐值超过锯齿波信号幅值时在输出端350上产生触发脉冲信号。
电源开关320与驱动器374相连接，该驱动器将引线350上的触发脉冲送到三端双向可控硅电源开关321的输入端322，因而在引线350上的触发脉冲使三端双向可控硅电源开关321切换到导通状态，亦即“ON”状态，其导通相位角由引线346上的锯齿波信号和引线340上的平均偏差信号的相交点来确定。根据三端双向可控硅电源开关321的导通相位角，将交流电送到电机M，当来自交流电源316的交流信号到达下一个零跨越点时，就使三端双向可控硅电源开关321截止。这样所获得的效果是将引线332上的反馈信号与引线328上的转速指令信号相互锁相，其结果是使电机M的实际转速等于由选择开关352选定的所需转速。通过采用相位作为控制变量，就能够准确地将电机的转速控制在所需转速上。
附图11是详细的电路图，显示了用于调节电机M转速的电机转速控制电路310中的分离元件，例如该电机可以是功率大约为0.625马力的电刷型串励交直流两用电机。交流电源316的火线380与一个由人工操纵的ON/OFF开关382相连接，该开关所在的电路让电流流过电机的一组定子绕组384、通过电刷388、390流过电机的转子绕组386、电机的另一组定子绕组392、以及三端双向可控硅电源开关321的输出端394。交流电源316的零线396与可控硅开关元件321的输入端398相连接，该可控硅开关元件321可以采用MOTOROLA公司销售的产品，其型号是MAC15-6。
直流电源344分别与交流电源316的火线380和零线396相连接，用于在其输出端400上提供5V的直流电压、在输出端402上提供12V的直流电压。所述电压由二极管D1和电阻R1对交流信号进行半波整流后提供。输出端400和402所提供的直流电压应具有足够的平衡性，同时不包含噪音，使之能够用作电机控制电路310中的集成电路和元件的直流电源。
交流电源316的火线和零线380、396也和零点跨越检测器368相连接，该检测器包括三极管Q4、Q5(可以采用MOTOROLA公司出售的产品，其产品型号是2N3904)和电组R10、R11、R12、R13。当交流信号以由负到正的方向经过零点时，流过电阻R12和R13的电流为零，三极管Q4截止。此时，三极管Q4的集电极404的电平接近于+5V的电源电压VCC(“VDC”)。当交流信号朝正的方向增大时，流过电阻R12和R13的电流会很快地使给三极管Q4提供偏压导通，从而使三极管Q4的集电极电平接近于零电平。这样，对于每一个由负到正的零跨越点，都会在三极管Q4的集电极404上产生一个具有较短脉冲宽度的第一零点跨越脉冲。
当交流信号以由正到负的方向通过下一个零跨越点时，三极管Q4再一次截止，其集电极404的电平上升到接近+5VDC。当交流电压信号成为负值时，三极管Q5导通，流过电阻R10、R11、R12、R13的电源很快使三极管Q4截止，从而使三极管Q4的集电极恢复到接近地电压。这样，对于交流信号的每一个由正到负的零跨越零点，都会在三极管Q4的集电极404上产生一个具有较短脉冲宽度的第二零点跨越脉冲。
模拟基准电路342中的零点跨越检测器368驱动一个锯齿波发生器372，该发生器包括三极管Q3、电容C3和电阻R9。对应于每一个零跨越点的零点跨越脉冲的正向边沿，亦即上升边沿，都将使三极管Q3导通，从而为电容C3提供了一个由三极管Q3构成的放电回路。每一个零点跨越脉冲的负向边沿，亦即其下降边沿，都将使三极管Q3截止，使电容C3通过电阻R9缓慢地充电。电容C3的逐渐充电过程提供了一个近似于线性增大的电平，从而产生一个近似于锯齿波的信号。当到达下一个零点跨越脉冲的上升边沿时，所述锯齿波信号终止，回到其大至为0VDE的初始电平。这样，对于频率为60Hz的交流信号来说，将产生频率为120Hz的零点跨越脉冲。零点跨越脉冲串将触发一连串频率为120Hz的锯齿波信号。所述锯齿波信号是与交流电源信号的零点跨越同步的模拟基准信号，在交流电源信号的每半个周期中都会产生一个这样的锯齿波信号。在交流电源信号的每半个周期内的每一时间点上，该铖齿波信号的电平都是唯一的，时间点不同，锯齿波的电平也就不同。
在转速指令电路326中，转速选择开关352包括一个转速上升按钮406和一个转速下降按钮408，它们为数字电压表410提供了输入，作为例子，该电压表可以采用美国DALLAS SEMICONDUCTOR公司出售的产品，其产品型号为DS1669。该数字电压表410的输出端412与一个运算放大器U4相连接。该运算放大器可以采用Motorola公司出售的产品，其产品型号为TLC272。根据操纵按钮406、408所产生的转速上升和转速下降指令，数字电压表410的输出端412具有64个不同的状态。运算放大器U4与基准频率发生器358相连接该发生器具有一个电压控制的振荡器U5，它可以采用MOTOROLA公司出售的产品，其型号为MC54/74HC4046A。所述运算放大器U4用作受电压控制的振荡器U5的偏压发生器，运算放大器U4的输出端414通过电阻R17与其输入端416相连接。在输出端412上的电平产生变化时，为了保持运算放大器U4的平衡状态，使来自受电压控制的振荡器U5的电流流入运算放大器U4的输入端416，从而在电阻R16上产生一个电压降，该电压降是数字电压表410输出端412的输出信号的函数。由电压控制的电压表U5在其输出端328上产生一个基准频率，该频率唯一地对应于按钮406、408产生的转速指令。工具提供的所需动力取决于其飞轮所具有的功能，动能的数值为1/2(1)(W2)，其中，1是飞轮的转动惯量，W是飞轮转动的角转速。因此，所述基准频率被标定成能够表示所需的电机转速，这一转速将使飞轮具有动能，从而施加对应于所需输入开关设定值的力。
反馈变送器360由一个接近传感器418构成，它可以采用美国PED L10N CONTROLS OF YORK公司出售的产品，其产品型号是MP25TAOO。该传感器以磁的方式与电机M相偶合，用于检测电机M的输出轴每分钟的转数。接近传感器418在输出端422、424上提供正弦波输出，它们在相位上相差180度，其频率和电机转子386的角转速或者每分钟的转数成正比。由传感器418产生的反馈信号通过一个直流偏置网络426，它包括电阻R23、R24和电容C7，它的输出送到零点跨越检测器364的输入端。该零点跨越检测器由一个电压比较器U6构成，可以采用Motorola出售的产品，其产品型号为TLC372。经过滤波的反馈信号送到电压比较器U6的输入端，以便消除其模噪音。这样，零点跨越检测器364在其输出端332上提供了相对稳定和无噪音的反馈信号，该信号的频率正比于电机的实际转速。
相位探测器334包括一个三状态相位比较器，它可以采用MOTOROLA公司出售的产品，其产品型号是MC54/74HC4046A。该比较器根据转速指令信号和反馈频率信号，在输出端332上产生一个偏差信号，该信号的占空比是转速指令基准频率和反馈频率之间相位差的函数。低通滤波器338包括一个二极管切换网络430、电阻R8、R14、R15和电容C2。该低通滤波器根据相位检测器334输出端336上的偏差信号，在其输出端340上提供一个直流电平，该电平的大小正比于所述偏差信号的占空比。比较器348包括一个与比较器U6相同的电压比较器U2，它根据锯齿波发生器372的输出端346上的锯齿波信号和低通滤波器338的输出端340上的平均偏差信号，在其输出端350上产生一个触发脉冲，用于根据与锯齿波相交的平均偏差信号将可控硅开关元件321切换到导通的状态。
当基准频率信号和反馈频率信号的相位相同时，具有三个状态的相位比较器428产生一个稳定的三状态输出。当电机的实际转速低于所需的电机转速时，基准频率信号的相位超前于反馈频率信号的相位，相位比较器428将根据相位超前的基准频率的上升边沿产生一个负向的信号。相位比较器428根据相位落后的反馈频率的下一个上升的边沿，使所述负向信号回到所述稳定的三状态输出。类似地，当电机的实际转速高于所需的转速时，反馈频率的相位超前于基准频率的相位，相位比较器428根据相位超前的反馈频率的上升边沿，产生一个负向信号。相位比较器428根据相位落后的基准频率的F一个上升边沿使该负向信号回到稳定的三状态输出。这样，三状态相位比较器428就能够根据反馈频率信号的相位是超前还是落后于转速指令基准频率信号的相位，产生出一系列负向脉冲型的信号或者正向脉冲型的信号。所述脉冲型信号的占空比正比于反馈频率信号和基准频率信号之间的相移或相位差。
假如电机M的实际转速等于由转速指令信号所表示的所需转速反馈频率信号的相位就会和基准频率信号的相位保持一种恒定的关系。相位比较器428处于其稳定的三状态输出，切换二极管网络430处于一种稳定的状态，在这样状态下，二极管没有被固定地导通或截止。然而，电容C2的充电在电压比较器U2的一个输入端上提供了一个电压，当它与另一电压比较器的输入端上的锯齿波信号相交时，就会在输出端350上产生触发脉冲。该触发脉冲在交流电源信号的每半个周期上使可控硅开关元件321导通，为电机M提供足够的电流来保持所需的转速。根据电容C2的充电，电容C2此时可以具有一个由电阻R8、R15和二极管D5构成的泄漏回路。
假如电机M的转速减慢了，就会使表示转速指令的基准频率信号的相位超前于反馈频率信号的相位。这样，根据基准频率信号的上升边沿，所述三状态相位比较器428就会在输出端336上产生一个负向信号。该输出信号使二极管D2导通，从而使电流流过电阻R14，这又使二极管D3、D4截止、二极管D5导通。二极管桥路430的这一状态为电容C2提供了一个由电阻R8和R15组成的放电回路，使电容C2相对快速地放电，从而减小输出端340(亦即电压比较器U2的输入端)上的电压辐值。
这样，当电机的实际转速减小到低于所需转速时，三状态相位比较器428就会提供一个偏差信号，该信号是一系列负向脉冲型的信号，它减小了由低通滤波器338所产生的平均偏差信号的辐值。所述减小了的平均偏差信号在交流信号的半个周期内的较前时间点上与锯齿波信号相交，因此，电压比较器U2在上述的较前时间点给三端双向可控硅开关提供触发脉冲。三端双向可控硅电源开关321就会为电机提供更大的电流，从而增大电机的实际转速，使之达到所需的电机转速。反馈频率信号的下一个上升或正向边沿将使三状态相位比较器428回到其稳定三状态输出。当基准频率信号的相位超前于反馈频率信号时，对于基准和反馈频率信号随后的正向边沿将重复所述过程。
在另一种情况下，亦即当电机的实际转速大于所须的转速指令时，反馈频率信号在相位上超前于基准频率信号。这样，根据反馈频率信号的正向上升边沿，三状态相位比较器428的输出端336上将产生正向上升的信号，它使二极管D2、D5截止，使二极管D3、D4导通。此时，电容C2能够使电流流过电阻R14，从而增大低通滤波器338的输出端340上的电压幅值。根据基准频率的下一上升边沿，三状态相位比较器使其输出336回到三状态稳定输出状态从而使二极管电桥回到稳定状态，停止通过电阻R14对电容C2进行充电。当反馈频率信号超前于基准频率信号时，对于每一个反馈频率的上升边沿都将重复所述过程。这样，当电机的实际转速超过所需的转速时，三状态相位比较器428就会产生一系列正向上升脉冲型的信号，每一个这样的脉冲都能够使电容C2充电，从而增大了来自低通滤波器338的平均偏差信号的电压幅值。当平均偏差信号的电压幅值增大时，该信号就会在产生锯齿波的时间期间中的较迟时间点上与锯齿波相交。因此电压比较器U2就会在相对于锯齿波信号的较迟时间点上产生触发脉冲。该触发脉冲将使驱动器374中的MOSFET Q2在交流信号半个周期中的较迟的时间点上导通，从而减小流过电机的电流，因而也加降低了电机的转速。所述MOSFET Q2可以采用MOTOROLA公司出售的产品，其产品型号为2N7000。
适当选取低通滤波器338中电阻R14和R15的阻值，使得当电机的转速下降时，电容C2的放电回路能够让该电容迅速地放电，因而快速地移动可控硅开关元件321的导通点，使流过电机的电流迅速增大。相反，当电机的转速高于所需的转速时，系统中的物理力，例如摩擦力和其他损失等等，将会自然地降低电机的转速。因此，选取电路元件参数值以使得在电机转速过快时对电容C2的充电速度要慢得多，因为所存在的上述物理力有助于减小电机的转速。也可以认为所述低通滤波器构成了一个数字/模拟转换器。该滤波器响应于来自相位比较器428的数字信号，该信号的占空比代表了偏差频率信号和基准频率信号之间的相位差，而滤波器所产生的直流电压信号代表了该相位差的平均值。
在使用时，操纵者采用开关382为电机M供电，采用开关406和408来设定输入指令，该指令代表了电动紧固器所需的输出动力。如果采用可见或其他指示器来显示操纵者的输入指令，可以用电机的转速、为工具所施加的力、由工具所驱动的紧固件的大小等作为单位来予以标定。例如，如果是用电动紧固器作为电动钉锤，用于将钉子打入2.0-3.5英寸，可以在每分钟7000-15000转的范围内选择电机的转速。在缺少可见指示器时，可以通过若干试验性的紧固件来确定所需的力。一旦确定了所需的输入，就将保持该设定值，即使停止和重新启动工具也依然如此。当采用工具来驱动一个紧固件时，就会释放出一个动能脉冲，使飞轮30和电机M的转速降低。相位探测器334将产生出一个较大的偏差信号，该信号是一个负向信号，具有较长的脉冲宽度，因而使可控硅开关元件321为电机提供最大的电流。电容C2迅速地放电，可控硅开关元件321的导通点迅速地移动，从而增大为电机所提供的电流。电机控制电路310能够在大约500毫秒的时间内使电机加速，使电机和飞轮达到可选用的最大转速。当电机的转速增大，使得所需转速和实际转速之间的差值减小时，可控硅开关元件321改变其导通点，从而减小为电机提供的平均电流。当实际转速和所需转速相等时，基准频率信号和反馈频率信号被锁相，使基准频率信号的相位稍微落后于反馈频率信号的相位并保持这样的关系。电机控制电路310敏感于基准频率和反馈频率之间的相位差，该相位差小于基准频率或反馈频率的一个周期。这样，通过在相位差的时域中控制电机的转速，电机控制电路310就能够调节电机的转速，使之保持在所选转速的大约±1％的范围之内。
尽管上面结合实施例对本发明进行了详细的说明，但是这并不意味着本发明要受到这种详细说明的限制。本技术领域里的普通技术人员能够在此基础上作出进一步的改进。例如，本发明提供了一种性能优良的紧固件电动驱动工具，该工具能够以所需的频率驱动钉子和卡钉。即使是电机安装手柄之中，并通过驱动轴将旋转力传递给飞轮，本发明的工具也能够有效地采用一个简单的飞轮和一个对普通电机进行控制的电路来提供所需的飞轮转速和转速控制。该工具是通过安装在手柄端部的电机来平衡的。改进的起动连杆方便了对工具的正常操纵。本发明也提供了一个驱动或动力单元，它能够适用于具有一个驱动工作部件的各种不同的工具、器具和装置。
此外，电源344可以通过对交流电流进行半波整流或全波整流来实现。在两种情况下，零点跨越检测器368都响应于所有的零跨越点，提供其频率为120Hz的零点跨越脉冲。转速指令电路326中的选择开关352可以用不同的方式来实现。开关352可以是一个具有4个输出端的开关，其输出可以被解码成为10种选择。所述4个开关输出可以和一个二进制/十进制转换器相连接，为采用电压控制的振荡器提供10个电平。反馈变送器360可以是任何能够响应于电机转速、并提供其频率正比于电机转速的信号的装置。比较器348和低通滤波器338可以用不同的装置来实现，只要能够为电源开关320提供触发脉冲，该脉冲具有对应于锯齿波信号的前沿，而锯齿波是转速指令信号和反馈信号之间相位差的函数即可。
本发明的电机控制电路是结合对交直流两用电机的转速进行控制来予以说明的，该电机用于驱动一个安装在手持工具中的飞轮。本发明的电机控制电路所具有的一些突出优点不仅适合于所述用途，同样也适合于其他的用途。本发明的电机控制电路可以在许多场合下用于控制任何交直流两用电机的转速。
本发明不应限于所述的详细说明，其保护范围应由如下的权利要求来确定。
权利要求
1. 一种用于驱动可动工件的电动工具，包括一个飞轮；一个用于驱动飞轮的电机；间歇地将所述飞轮和可动工件连接起来，用于移动该可动工件的装置；一个电子控制电路，用于将电机的转速控制在大约每分钟7000-15000转的范围之内，并能在由于所述连接和所述可动工件移动所造成的转速下降的500毫秒的时间内恢复所述速度。
2. 一种具有可驱动工件的电动工具，包括一个手柄；一个飞轮；一个电机；一个细长的驱动轴，它可运转地与所述电机连接以驱动所述飞轮有选择性地连接所述飞轮和解除该连接的装置，用于分别驱动和释放上述工件；所述电机安装在工具手柄的一端中；所述飞轮安装在工具手柄的另一端中；所述驱动轴运转地安装在位于所述电机和飞轮之间的手柄中。
3. 如权利要求2所述的电动工具，其中所述驱动轴可绕纵向轴转动，而且所述飞轮能够围绕与所述驱动轴线相垂直的另一个轴线旋转。
4. 如权利要求3所述的电动工具，进一步包括一个安装在所述驱动轴上的齿杆，用于驱动所述飞轮，该齿杆和飞轮分别具有一个相互啮合的螺旋伞形齿轮，用于驱动所述飞轮。
5. 如权利要求4所述的电动工具，其中以一个从在大约每分钟7000-15000转的范围之内选定的速度驱动所述电机，当连接所述飞轮以驱动所述工件时，所述转速将会降低。
6. 如权利要求5所述的电动工具，其中所述飞轮与所述工件分离就以±1％的误差范围并在所述转速下降之后的500毫秒内回复所述选定的转速。
7. 如权利要求6所述的电动工具，进一步包括一个转速控制电路，该电路包括一个三端双向可控硅电源开关；一个转速指令电路，用于提供一个指令信号，该信号具有代表所需电机转速的基准频率；一个反馈电路，它根据电机的旋转产生一个反馈信号，该信号具有代表电机实际转速的反馈频率；一个与所述可控硅电源开关相连接的比较器电路，它根据所述指令信号和反馈信号产生触发脉冲，该脉冲的产生取决于基准频率信号和反馈频率信号之间的相位差，用所述触发脉冲来控制所述可控硅电源开关，使得提供给电机的交流电源是所述相位差的函数，从而使电机的实际转速基本上等于电机的所需转速。
8. 如权利要求2所述的电动工具，进一步包括与电机运转地相连接的锁相环转速控制电路，用于将电机的转速控制在大约每分钟7000-15000转的范围内，当使飞轮和工件相连接和相脱离的装置使电机转速低于所需转速之后，该控制电路能够在大约500毫秒的时间内使电机的转速增加到所需转速。
9. 如权利要求8所述的电动工具，其中所述的锁相环转速控制电路包括一个三端双向可控硅电源开关；一个转速指令电路，用于提供一个指令信号，该信号具有代表电机转速的基准频率；一个反馈电路，它相应于电机的旋转产生一个反馈信号，该信号具有代表电机实际转速的反馈频率；一个与所述可控硅电源开关相连接的比较器电路，它根据所述指令信号和反馈信号产生触发脉冲，该脉冲的产生取决于基准频率信号和反馈频率信号之间的相位差，用所述触发脉冲来控制所述三端双向可控硅电源开关，使得提供给电机的交流电流是所述相位差的函数，从而使电机的实际转速基本上等于电机的所需转速。
10. 如权利要求2所述的电动工具，其中所述电机具有一个旋转曲线，所述驱动轴具有和电机旋转轴线共轴的旋转轴线。
11. 如权利要求10所述的电动工具，其中所述飞轮安装在工具之中，用于围绕与驱动轴的旋转轴线相垂直的轴线旋转。
12. 一种用于驱动可动工件的电动工具，包括一个飞轮；一个和所述飞轮相连接的电机；一个离合器机构，可选择地使飞轮与可动工件相连接或脱离连接，用于驱动所述可动工件；一个与电机运转地相连接的锁相环转速控制电路，用于将电机的转速控制在大约每分钟7000-15000转的范围之内，当通过所述离合器机构使飞轮与可动工件相连接或脱离连接，从而使电机的转速低于所需转速时，该转速控制电路能够在大约500毫秒的时间内使电机的转速增大到所需的转速。
13. 如权利要求12所述的电动工具，其中所述锁相环转速控制电路包括一个三端双向可控硅电源开关。
14. 如权利要求13所述的电动工具，其中所述锁相环转速控制电路进一步包括一个转速指令电路，用于提供一个指令信号，该信号具有代表电机转速的基准频率；一个反馈电路，它相应于电机的旋转产生一个反馈信号，该信号具代表电机实际转速的反馈频率。
15. 如权利要求14所述的电动工具，其中所述的锁相环转速控制电路进一步包括一个与所述可控硅电源开关相连接的比较器电路，它根据所述指令信号和反馈信号产生触发脉冲，该脉冲的产生取决于基准频率信号和反馈频率信号之间的相位差，用所述触发脉冲来控制所述三端双向可控硅电源开关，使得提供给电机的交流电流是所述相位差的函数，从而使电机的实际转速基本上等于电机的所需转速。
16. 如权利要求15所述的电动工具，其中所述比较器电路包括一个三状态相位比较器，用于产生一系列脉冲，该脉冲系列包括正向脉冲和负向脉冲，正向脉冲和负向脉冲分别表示了所述转速指令信号和反馈信号之间的第一种和第二种相位差。
全文摘要
一种电动工具，具有飞轮，用于驱动诸如紧固工具的驱动器之类的工件。一个安装在工具手柄的后端的电机驱动安装在工具手柄的前端的飞轮。一个绕线被固定在一个鼓轮和工件上。离合器以可选择的方式使飞轮与鼓轮相连接，用于卷绕缆线，以便有力地驱动工件。将折回的缆线逆着弹簧偏压卷绕在驱动器鼓上以致再把鼓卷紧，当离合器使飞轮与鼓分离时松开缆线并使工件返回到其在先的状态。当飞轮与鼓连接时，电机转速和飞轮转速减小。
文档编号B25C5/15GK1115517SQ9510175
公开日1996年1月24日 申请日期1995年1月5日 优先权日1994年1月5日
发明者约翰·P·克拉彻, 达尔博特·E·拉卡斯, 大卫·A·达米克, 埃里克·D·亨特 申请人:Sen公司