专利名称：同心气压/液压动力进给设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及气压/液压动力工具，并尤其涉及一种压力流体驱动的动力进给设备，用来以围绕输出轴平均且同心地分配推力的方式而同心地向工具的输出轴施加推力。
背景技术：
在飞机组装工作中，经常需要将一个手钻型扩孔器(reamer)夹紧或以其他方式附着到翼梁或工件的其他区域，以便该扩孔器能够自动操作。这个步骤包括将一个安装到某种类型托架上的气压/液压缸结合进来，而该托架又连接到进行机加工操作，无论是钻孔、切割或扩孔的动力工具上。如此，气压/液压缸从动力工具横向偏移。
所产生的问题是要保持安装到工具输出轴上的旋转的加工元件垂直于气压缸。但不同的是，输出轴必须保持与气压缸平行并与工件的表面正交。通常，在试图保持工具的输出轴与缸完全平行并与工件表面正交的方面，在工具上安装导轨或一些其他形式的导引结构。由于通常使用较大的托架轴承或导轨，这些常规问题在大型工具中变得不成问题。但是，对于较小的工具，由高推力负载和固定到工具输出轴上的部件(如刀具)和提供推力的缸之间的距离而产生的力矩导致刀具扭动，从而推动刀具，而使之偏离与工件表面平行的对准方式。在扩孔操作中，这会导致刀具超出针对正在工件中形成的孔的预定孔公差。
目前用来对准动力工具并支撑动力工具的导轨系统需要精确的公差，要保持这个公差非常困难。迄今为止，保持工具相对于气压/液压缸成正确角度的这个问题需要使用较大的套筒和/或导轨，正使得整个组件变得非常难于操纵和装配，并且需要很大的空间。
因此，非常希望能够提供某种形式的设备，该设备可以用来支撑工具，并随着工具的输出轴朝向工件导引，围绕工具的输出轴均匀地(即同心地)提供推力。这就消除了对庞大笨重的导轨系统和/或托架的需求，并将确保作用在输出轴上的推力均匀地围绕输出轴施加，并从而也均匀地围绕安装到输出轴上的加工元件施加。这种设备还将提供一个紧凑的装置，来支撑工具及其加工元件。
发明内容
本发明旨在一种动力进给设备，用来以相对于工件线性运动的方式进给一个安装到电机驱动的动力工具的输出轴上的加工元件。本发明使得推力能够围绕输出轴的四周均匀施加，并由此围绕加工元件均匀施加，从而保证了随着推力的施加，加工元件保持于工件表面平行。
在一个优选形式中，该设备包括一个第一管状元件，该第一管状元件适于固定到一个与工件相关联的从属结构上，如夹具、托架或其他类似结构。提供了一个第二管状元件，该第二管状元件相对于第一管状元件可滑动地移动。第二管状元件在其上支撑工具，并允许工具的输出轴通过其延伸而进入第一管状元件中。第一管状元件包括围绕输出轴同心布置的第一环状流体腔。第二管状元件类似地包括与输出轴同心地形成的第二环状流体腔。第一管状元件在一端还包括一个钻孔，用来使工具的输出轴能够从其中穿过，并朝向工件延伸且/或延伸到工件中。
在工作中，当压力流体注入到第一环状流体腔时，这导致第二管状元件相对于第一管状元件线性滑动地移动。这使得工具的输出轴从缩回位置线性移动到伸出位置，在该伸出位置，安装到输出轴上的加工元件可以用来在工件上执行机加工操作，例如，如扩孔操作。当加工元件要缩回时，压力流体从第一环状流体腔中去除，并注入到第二环状流体腔中。这使得第二管状元件沿相反的方向滑动地移动，使得输出轴回缩，从而将加工元件从工件上退回。
在优选实施例中，第一管状元件还包括偏压元件，如螺旋弹簧，用来在退回输出轴时起到辅助作用。偏压元件设置在一个偏压元件保持管内，该保持管相对于第一管状套筒固定地设置，并与第一管状套筒同心，使得它能够接纳输出轴。
因此，本发明的动力进给设备允许气压或液压推力围绕动力工具的输出轴均匀地并同心地施加。这使得输出轴以平顺、线性运动的方式得以驱动，而不会产生任何趋于作用在加工元件上而迫使加工元件偏离与加工表面完美平行对准的状态的外力。优选的是，本发明的动力进给设备还形成了一个非常紧凑的组件，这个组件可以轻易固定到与工件相关的夹具或其他支撑结构上。
本发明的其他应用领域将从下面提供的详细描述中变得清楚。应理解到这些详细描述的特定示例在表示本发明的优选实施例的同时仅用于举例说明的目的，而不用来限制本发明的范围。
从详细的描述和附图中可以更充分理解本发明，图中图1是根据本发明优选实施例的动力进给设备的透视图，也示出了用来相对于工件支撑设备的支撑结构；图2是沿着图1中的剖面线2-2截取的图1的设备的简化的横截面侧视图，示出输出轴处于缩回位置的设备，并省略了图1所示的安装结构；以及图3是示出输出轴处于伸出位置的图2的设备的视图。
具体实施例方式
下面优选实施例的描述实质上仅仅是示例性的，而决不用来限制本发明、其用途或应用。
参照图1，示出了根据本发明优选实施例的动力进给设备10。该设备10被示为由一个导引轴组件12支撑，而该导引轴组件12固定到设备10上。该设备10由卡具16相对于工件14固定。如更详细描述的，设备10可以按不同的方式固定到工件14上，在这些方式中，有些并不需要卡具16。
设备10通常包括第一管状元件18和与第一管状元件18同心设置的第二管状元件20。第一管状元件18包括与流体管线24相连接的端口22。流体管线24与压力流体源26连通，从而允许压力流体供给到第一管状元件18的内部区域中。第二管状元件20包括与流体管线30连通的流体端口28，该流体管线30也与压力流体源26连通。可以使用适当的阀32来引导来自压力流体源26的流体进入流体端口22或流体端口28内。另外，为两个流体端口22和28可以采用单独的压力流体源。
第二管状元件20适于固定地支撑工具34。在一个优选形式中，工具包括具有电机的钻。然而，将理解到具有输出轴的其他形式的工具，或是电动、液动、或是气动的，显然都可以由设备10承载。
在普通操作中，当压力流体经流体管线24供给到流体端口22中时，这导致第二管状元件20在第一管状元件18上向下线性移动。随后，电机34的输出轴沿图1附图中的向下方向被驱动到工件14内。通常，输出轴在其端部连接有一个加工元件，如扩孔器。再者，将理解到各种金属加工装置可以与本设备10一起使用，下面的描述不应仅局限于扩孔器。
设备10的主要优点在于压力流体所产生的推力围绕输出轴均匀并同心地施加，使得输出轴保持与工件14的上表面完美垂直。这与先前研制的系统相反，在先前研制的系统中，采用一个偏离工具的一侧定位的缸，并且该系统在推动过程中赋予了一个迫使电机的输出轴偏离与工件14的表面垂直布置的力。
尽管导引轴组件12不是本设备10的一部分，但是仍提供了对它功能的简要说明。导引轴组件12包括一个直接安装到电机34上的导引托架12a，导引托架12a又安装到一个防转动轴12b上，而该防转动轴12b又安装到一个导引托架12c上。导引托架12c牢固固定到第一管状元件18的外表面36a上。在电机34工作时，部件12a、12b和12c共同有助于防止电机34相对于第一管状元件18转动，同时仍允许第二管状元件20在第一管状元件18上向下线性移动。与第一管状元件18一体形成的接头(nosepiece)18a提供了一个装置，该装置用来使第一管状元件18可以经卡具16牢固固定到工件14上。另外，接头18a可以固定到与工件14相关的夹具或其他装置上。从而，将理解到可采用各种其他方案，以相对于工件固定地支撑设备10。
现在参照图2和3，将更详细地描述设备10的内部部件。第一管状元件18包括第一或外管状套筒36，该套筒36具有参照图1所描述的外表面36a。该第一管状元件18还包括安装部件38和偏压元件保持管40。将理解到为了简明，将安装部件38示为其上没有形成接头18a。
在偏压元件保持管40内，设置一个偏压元件，如螺旋弹簧42。流体端口22由管状套筒36的第一侧壁部分46和第二侧壁部分48之间的流动路径44形成。这个流动路径44通入第一环状流体腔50。要注意到第一环状流体腔50与电机34的旋转驱动的输出轴52同心设置是至关重要的。偏压元件42和偏压元件保持管40与输出轴42同心地设置。环状空腔54形成在偏压元件保持管40和管状套筒36的内壁56之间。在这个示例中，电机34及其输出轴52形成电钻(electrically driven drill)。
管状套筒18螺纹固定到安装部件38上。类似地，偏压元件保持管40包括下螺纹端58，这个下螺纹端固定在安装部件38的螺纹孔60内。安装部件38包括中心钻孔62，用来允许输出轴52通过它向工件14延伸(图2中未示出)。下轴承组60a和相关的密封件60b也设置在偏压元件保持管40内部的螺纹孔60中。可选地是，安装部件38可以包括下螺纹端64，这个下螺纹端64可以与夹具或其他类似结构中的螺纹孔螺纹接合，从而相对于夹具或类似结构固定地支撑设备10。
继续参照图2，第二管状元件20包括外管状套筒66和内管状套筒68。外管状套筒66包括与流体端口28相连通地流体流动通道70。流体通道70与环状流体腔72连通，而环状流体腔72与输出轴52同心地设置。环状流体腔72形成在内管状套筒68的外表面74和外管状套筒66的内表面76之间。内管状套筒68的上端部78与上安装部件80螺纹接合，而上安装部件80又与电机34壳体的一个螺纹部分(未示出)螺纹接合。外管状套筒66在螺纹孔82处螺纹连接到上安装部件80上。在这个特定实施例中，随着第一管状元件18滑入到第二管状元件20内，第二管状元件20为第一管状元件18提供了一个千分尺深度定位器(micrometer depth stop)和一个硬定位器(hard stop)。千分尺深度通过锁紧螺母97在系统上予以保持。在上安装部件80内设置一个上轴承组81a及其相关的密封件81b。轴承组81a和60a有助于保持输出轴52与第一和第二管状元件18和20同心。
进一步参照图2，第一O型密封圈84在内管状套筒68上端处的外表面与外管状套筒66的内表面之间提供密封。第二O型密封圈86在内管状套筒68的外表面和外管状套筒36的内表面之间提供密封。设置在内管状套筒68的下部外边缘89和外管状套筒36的内壁56之间的第三O型密封圈88在这个区域提供密封。由此，O型密封圈84和86在压力流体注入到环状流体腔72之内时密封该环状流体腔72。O型密封圈86和88作用为在压力流体注入到环状流体腔50之内时密封环状流体腔50。
进一步参照图2，导引元件80包括主体部分90，该主体部分具有一个带凸缘92的下端。主体部分90穿过导引元件94中的开口93，并与偏压元件42形成接触。凸缘92的直径允许它插入到偏压元件保持管40内，并随着输出轴52在伸出和缩回位置之间移动而在管40内上下滑动。
现在转到设备10的操作，当压力流体供给到端口22时，这导致环状流体腔50充满压力流体。这导致第二管状元件20的内管状套筒68沿图2中附图的向下方向被驱动到图3所示的位置。重要的是，压力流体提供的推力围绕输出轴52均匀并同心地分布。从而在输出轴52上不会施加趋于使其偏离完美垂直于工件14的上表面延伸的轴心位置的力。随着导引元件80与内管状套筒68一起向下驱动，压力流体的力压缩偏压元件42。将理解到，在输出轴52进入延伸位置的这个运动过程中，要求流体端口28能够自由地通过流体通道70排出累积在环状流体腔72内的流体。而且，可选地，在流体端口28处采用一个流动控制装置，来控制输出轴52的向下推动和/或速度。
随着第二管状元件20沿附2中的向下方向移动，外管状套筒66和管状套筒68由第一管状元件18的外管状套筒36导引。这有助于确保导引元件80保持与输出轴52的纵轴完全同心。在图3中，示出输出轴52处于它的完全伸出位置状态下的设备10。
当输出轴52要缩回(即，移动回到图2所示的位置)时，施加到端口22上的流体压力被去除，由此使得环状流体腔50内累积的流体通过流动路径44和端口22排出。这与压力流体通过流动路径70被导引到端口28上并导入环状流体腔72内同时进行。进入环状流体腔72的流体作用在第二外管状套筒66上，从而迫使套筒66沿图2的附图中的向上方向移动。偏压元件42也有助于迫使整个第二管状元件20远离第一管状元件18向上移动。第二管状元件20的向上回缩运动由第一管状元件18的顶面98的接合而予以限制，该顶面98抵靠外管状套筒66的凸缘99。将理解到，在一些应用中，偏压元件42本身足以提供所需的回缩力。
因此，本发明的设备10提供了一种简单、非常紧凑的装置，该装置用来将推力施加到工具的输出轴上，而不会趋于迫使输出轴偏离与工件外表面完美垂直的排列状态。由于本设备10不需要任何外部托架或导轨系统，因此它形成了一个非常紧凑的系统，该系统可以更容易地操纵、组装和使用，并可方便地应用到各种类型的工件上。尤其是，本发明非常适于飞机制造工作，在该情况下，采用高精度钻孔和扩孔操作，来在各种尺寸和形状的部件上形成直径非常精确的孔。
现在，本领域技术人员可以从前面的描述中理解到本发明的广泛教导可以以各种形式来实现。因此，虽然本发明参照其特定示例加以描述，但是本发明的范围不应受到如此限制，因为在研究附图、说明书的附加的权利要求时，本领域技术人员可以清楚地理解各种其他改进。
权利要求
1.一种动力进给设备，用于将安装到动力工具输出轴上的加工元件以相对于工件线性移动的方式进给，从而将施加到所述输出轴上的推力围绕所述输出轴均匀并同心地分配，所述设备包括第一管状元件，该第一管状元件适于连接到与所述工件相关联的从属结构上，所述第一管状元件具有第一流体端口；第二管状元件，该第二管状元件适于相对于所述第一管状元件滑动地移动，所述第二管状元件适于相对于所述第一管状元件同心地支撑所述电机的所述输出轴；所述各管状元件的表面在它们之间限定了一个第一流体腔，该第一流体腔围绕所述输出轴同心地布置；以及其中，将来自流体源的流体压力引入到所述流体腔中作用以推动所述第二管状元件，并从而推动所述输出轴相对于所述第一管状元件线性移动到伸出位置处，并将推力围绕所述输出轴均匀并同心地分配。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述管状元件限定了一个第二流体腔和一个第二流体端口，该第二流体腔与所述第一流体腔独立，而第二流体端口与所述第二流体腔连通；且供给到所述第二流体腔内的压力流体导致所述第二管状元件线性移动，并从而使所述输出轴从所述伸出位置线性移动到缩回位置。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一管状元件包括偏压元件，该偏压元件将力施加到所述第二管状元件上，从而在所述流体压力从所述第一流体端口去除时，促使所述第二管状元件从所述延伸位置回到缩回位置。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二管状元件包括一个外管状套筒和一个与所述外管状套筒同心设置的内管状套筒，用来导引所述第二管状元件相对于所述第一管状元件滑动。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一管状元件包括一个外套筒和一个与所述外套筒同心设置的内套筒，以便在二者之间限定一个环状区域，用来导引所述第二管状元件的一部分。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一管状元件包括一个安装部件，该安装部件适于连接到所述从属结构上，所述安装部件具有一个钻孔，以允许所述输出轴穿过它线性移动。
7.一种动力进给设备，用于将动力工具的输出轴以相对于工件线性移动而不会阻碍所述输出轴的转动的方式进给，并且以施加在所述输出轴上的推力围绕所述输出轴均匀并同心分布、同时所述输出轴在一个缩回位置和一个伸出位置之间线性移动的方式进给，所述设备包括第一管状元件，该第一管状元件包括一个外套筒和一个内管，该外套筒和内管在二者之间限定了一个环形区域，所述第一管状元件适于牢固地固定到与所述工件相关的从属结构上；第二管状元件，该第二管状元件包括一个第二外管状套筒和同心地设置在所述第二外套筒之内的第二内管状套筒，所述输出轴自所述第二管状元件支撑，并同心地延伸过所述第二内管状套筒和所述内管；所述外套筒和所述内管在二者之间限定了一个第一环状区域，所述第二内管状套筒的一部分在所述第二管状元件运动期间在该区域中运动；以及在所述第二内管状套筒和所述外套筒之间形成的第一环状流体腔，使得供给到所述第一流体腔内的压力流体导致所述输出轴从所述缩回位置线性移动到所述伸出位置。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述第二外管状套筒和所述第二内管状套筒在二者之间形成一个第二环状流体腔，使得注入到所述第二环状流体腔内的所述压力流体在所述第一环状流体腔未由所述压力流体加压的情况下导致所述第二管状元件运动，并进而导致所述输出轴从所述伸出位置移动到所述缩回位置。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一管状元件包括一个安装部件，用来使所述设备能够牢固地固定到与所述工件相关地所述从属结构上。
10.如权利要求7所述的设备，还包括至少一个O型密封圈，该密封圈设置在所述外套筒和所述内管之间。
11.如权利要求7所述的设备，其中所述内管包括一个偏压元件保持管，该偏压元件保持管与所述外套筒同心地固定设置；以及所述第二管状元件包括一个输出轴导引管，所述输出轴导引管与所述第二外管状套筒同心地设置；其中，所述设备还包括一个偏压元件，该偏压元件设置在所述偏压元件保持管之内；并且所述偏压元件作用在所述输出轴导引管上，以便在所述流体压力从所述第二环状流体腔去除时，在缩回所述输出轴中起辅助作用。
12.如权利要求9所述的动力进给设备，还包括一个轴承组件，该轴承组件设置在所述安装部件中，用来帮助保持所述输出轴与所述第一管状元件同心。
13.如权利要求7所述的动力进给设备，还包括一个轴承组件，该轴承组件安装在所述第二管状元件内，用来帮助保持所述输出轴与所述第二管状元件同心。
14.一种方法，用于将动力工具的输出轴以相对于工件线性移动且不阻碍所述输出轴转动的方式进给，并且以将施加到所述输出轴上的推力围绕所述输出轴平均并同心地分布、同时所述输出轴在一个缩回位置和一个伸出位置之间线性移动的方式进给，该方法包括提供一个第一管状元件，该第一管状元件适于牢固安装到与所述工件相关的从属结构上，并且包括一个钻孔，用来允许所述输出轴通过该钻孔延伸到所述工件中；提供一个第二管状元件，该第二管状元件的直径足够大，以允许在所述第一管状元件上滑动，所述第二管状元件包括一个布置成延伸到所述第一管状元件内部区域中的部分，所述第二管状元件在其上支撑一个用于驱动所述输出轴的电机，而所述加工元件与所述第一管状元件内的所述钻孔同心地排列；在所述第一管状元件内形成一个第一环状流体腔，用来在压力流体注入到所述第一环状流体腔内时使所述第二管状元件朝所述第一管状元件被线性推动，由此，导致所述输出轴从所述第一管状元件朝向所述工件伸出；以及在所述第二管状元件内形成一个第二环状流体腔，用来在压力流体注入到所述第二环状流体腔内时，使所述第二环状元件远离所述工件缩回。
15.如权利要求14所述的方法，还包括利用设置在所述第一或第二管状元件之一内的弹簧来在缩回所述输出轴中起辅助作用。
16.一种方法，用于将动力工具的输出轴以相对于工件线性移动且不阻碍所述输出轴转动的方式进给，并且以将施加到所述输出轴上的推力围绕所述输出轴平均并同心地分布、同时所述输出轴在一个缩回位置和一个伸出位置之间线性移动的方式进给，该方法包括提供一个第一管状元件，该第一管状元件适于牢固安装到与所述工件相关的从属结构上，并且包括一个钻孔，用来允许所述输出轴通过该钻孔延伸到所述工件中；提供一个第二管状元件，该第二管状元件的直径足够大，以允许在所述第一管状元件上滑动，所述第二管状元件包括一个布置成延伸到所述第一管状元件内部区域中的部分，所述第二管状元件在其上支撑一个用于驱动所述输出轴的电机，而所述输出轴与所述第一管状元件内的所述钻孔同心地排列；在所述第一管状元件内形成一个第一环状流体腔，以在压力流体注入到所述第一环状流体腔内时，促使所述第二管状元件朝所述第一管状元件线性推动，由此，导致所述输出轴从所述第一管状元件朝向所述工件伸出；以及利用设置在所述第一和第二管状元件之一内的偏压元件来缩回所述输出轴。
17.如权利要求16所述的方法，还包括在所述第二管状元件中形成一个第二环状流体腔，在压力流体施加到所述第二环状流体腔中时，缩回所述输出轴。
全文摘要
一种动力进给设备，用来将推力施加到电机驱动工具(34)的输出轴(52)上，以驱动输出轴朝向工件线性移动以及远离工件线性移动，而不会相输出轴施加离轴的力，这种力会导致输出轴偏离与工件外表面完美垂直对准的状态。该设备包括牢固固定到夹具或其他与工件相关的类似安装结构上的第一管状元件(18)。提供了第二管状元件(20)，用来沿第一管状元件线性滑动。间隔开的环状流体腔(50、72)与相关的流体端口(22、28)形成在设备中，允许压力流体用于伸出工具的输出轴以及缩回工具的输出轴。工具本身支撑在第二管状元件上，并因此与第二管状元件一起线性移动。
文档编号B23Q5/26GK1662343SQ03814945
公开日2005年8月31日 申请日期2003年4月24日 优先权日2002年5月1日
发明者迈克尔·M·斯特潘, 罗杰·A·盖奇 申请人:波音公司