本申请要求享有2015年11月16日提交的美国专利申请号62/255,754以及2016年1月7日提交的美国专利申请号14/990,135的优先权，所述两个美国专利申请通过引用的方式整体明确地纳入本文。
示例实施方案总体涉及动力工具(powertool)，且具体地涉及采用进给速率振荡的强制进给工具(positivefeedtool)。
背景技术：
动力工具通常被用在工业的所有方面和消费者的家庭中。采用动力工具以用于多种应用，包括例如钻孔、拧紧、打磨等。对于一些钻孔操作和紧固操作，强制进给工具可以是优选的。强制进给工具常常被用来在工件(诸如，钢、铝、钛以及复合物)上执行操作，且可以采用以受控的速率将钻头进给到工件内的工具进给机构。这样的工具在航空工业以及需要在金属工件或其他硬工件内精确钻孔的其他工业中是常见的。
钻孔，特别是使用常规方法在硬工件内钻深孔，通常可以产生难以从孔排出的长钻孔切屑。因为使钻头以恒定的进给速率(例如，每转0.003英寸)进给到工件内，所以产生这些长切屑。恒定的进给速率意味着切屑将具有恒定的厚度(即，0.003英寸)，该恒定的厚度导致螺旋形切屑随着钻孔操作进行而形成和生长。切屑最终可能是多个孔直径长，且可能导致切屑填塞。切屑因此可能导致需要附加扭矩，且可能导致较长的循环时间和不良的孔质量。
为了解决此问题，可以引入进给速率的变化或振荡。通过使进给速率变化(例如，将进给速率改变每转0.001至0.005英寸)，所得到的切屑将具有在薄部段和厚部段之间交替的可变厚度。此可变厚度将导致切屑倾向于在薄部段处断裂，且使得切屑的其余部分能够被更容易被排出。此方法可以被称为微啄钻(micro-peckdrilling)，因为切割器(例如，钻头)停留在材料内并且总是切割切屑。如果振幅增加到超过进给速率，则导致巨钻孔(macro-peckdrilling)，其中实际上将切割器从与工件的材料接触移除。
当前采用的微啄钻方法通常使用具有振荡凸轮轮廓的特定推力轴承。然而，这些特定推力轴承通常非常昂贵且寿命有限。
技术实现要素：
一些示例实施方案可以使得能够提供采用不同结构的强制进给工具以采用具有振荡进给速率的微啄钻。就这一点而言，一些示例实施方案可以提供压电馈电率振荡器。
在一个示例实施方案中，提供了一种强制进给工具。该工具可以包括马达；动力供应(powersupply)，所述动力供应被可操作地联接到所述马达以为所述马达供以动力；齿轮头；以及主轴。所述齿轮头可以被可操作地联接到所述马达以响应于所述马达供以动力而运转。所述齿轮头可以包括驱动组件和进给组件。所述主轴可以被可操作地联接到所述齿轮头，以使得能够分别基于所述驱动组件和所述进给组件的操作而选择性地旋转地驱动和轴向地进给所述主轴。所述进给组件可以包括电子控制的可变进给速率振荡器。
在另一个示例实施方案中，提供了一种用于选择性地驱动和进给强制进给工具的主轴的齿轮头。所述齿轮头可以包括：驱动组件，所述驱动组件被配置为选择地旋转地驱动所述主轴；以及进给组件，所述进给组件被配置为选择性地轴向地进给所述主轴。所述进给组件可以包括电子控制可变进给速率振荡器。
附图说明
因此已经概括地描述了一些示例实施方案，现在将参考附图，附图未必按比例绘制，且其中：
图1例示了根据一个示例实施方案的可以采用进给速率振荡器的强制进给工具的功能框图；
图2例示了根据一个示例实施方案的具有进给速率振荡器的强制进给工具的横截面视图；以及
图3例示了根据一个示例实施方案的压电环堆叠的横截面视图；
图4例示了根据一个示例实施方案的在同一轴线上示出的第一振幅曲线和第二振幅曲线；
图5a例示了根据一个示例实施方案的进给速率相对于旋转角度的变化；
图5b例示了根据一个替代示例实施方案的进给速率相对于旋转角度的变化；以及
图6例示了根据一个示例实施方案的集成压电堆叠的示例平面视图，其中该集成压电堆叠的一部分充当致动器，且另一部分充当传感器。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更充分地描述一些示例实施方案，其中示出了一些而不是全部示例实施方案。实际上，本文所描述和描写的实施例不应被解释为对本公开内容的范围、适用性或配置的限制。而是，提供这些示例实施方案以使得本公开内容将满足可适用的法律要求。相同的附图标记自始至终指代相同的元件。此外，如本文所使用的，术语“或”将被解释为每当其一个或多个操作数为真就导致真的逻辑运算符。如本文所使用的，可操作联接应被理解为涉及直接连接或间接连接，该直接连接或间接连接在任一种情况下都实现彼此可操作地联接的部件的功能互连。
如上文所指示的，一些示例实施方案可以涉及提供高性能的强制进给工具，所述强制进给工具相对于提供进给速率振荡还具有优越特性。特别地，一些示例实施方案可以提供具有进给速率振荡器的强制进给工具，该进给速率振荡器提供可变进给速率振荡范围，以使得可以基于所提供的进给速率振荡的振幅由用户控制切屑形成。这样，一些示例实施方案可以提供电子控制的可变进给速率振荡器。在一些实施例中，该可变进给速率振荡器可以被体现为压电环堆叠。图1例示了根据一个示例实施方案的可以采用可变进给速率振荡器的强制进给工具的功能框图。
如图1中所示，一个示例实施方案的强制进给工具100可以包括马达110、动力供应120和齿轮头130，该齿轮头130被配置为驱动主轴140。主轴140可以被驱动以围绕轴线旋转并且还可以在沿着旋转轴线的方向上被进给，例如以为布置在主轴140的远端处的钻头供以动力，以在工件150中钻孔。在一些情况下，强制进给工具100的马达110或其他部件可以在控制器160的控制下运转。尽管未要求，但是齿轮头130可以与一个或多个配件170适配或配合，配件170可以增强或以其他方式更改强制进给工具100的多种能力或性能方面。配件170因此可以是可移除的、可更换的或以其他方式被选择性地采用以用于强制进给工具100的操作。
在一些实施例中，马达110可以是气动马达，且动力供应120因此可以是加压空气。然而，在替代实施方案中，马达110可以是电动马达或液压动力马达，且动力供应120于是将分别是电池/主电源或液压动力供应。不管马达110如何被供以动力，马达110可以被可操作地联接到齿轮头130以驱动和进给主轴140。
在一个示例实施方案中，马达110可以被可操作地联接以驱动齿轮头130，以用于经由驱动组件180使主轴140围绕其轴线旋转。在一些情况下，主轴140可以是细长构件，所述细长构件具有用于与驱动组件180的驱动齿轮接合的一个或多个狭槽，以基于该驱动齿轮的旋转来使主轴140旋转。主轴140还可以包括用于与进给组件182的进给齿轮接合的螺纹，该进给组件182被配置为使主轴140在主轴140的轴线的方向上进给并且进入(或离开)工件150。因此，例如，驱动组件180和进给组件182可以被可操作地联接到马达110(和/或彼此)以实现主轴140的选择性驱动和进给。
如上文所提及的，如果进给组件182被供以动力以生成恒定的进给速率(例如，每转0.003英寸)，则将生成具有恒定的厚度的螺旋形切屑，且可能导致多种问题。因此，为了使切屑的厚度变化，且为了便于切屑断裂和更容易排出，可以采用振荡进给速率。为了提供振荡进给速率，示例实施方案可以采用进给速率振荡器190(或fro)，该进给速率振荡器190可以被可操作地联接到进给组件182或被提供作为进给组件182的一部分。
在一些示例实施方案中，进给速率振荡器190可以是电子控制(例如，经由控制器160)的可变进给速率振荡器。在这样的示例中，控制器160可以自动地(或响应于用户命令)控制进给速率振荡的振幅以限定期望的或最优量的进给速率振荡。在一些情况下，控制器160可以被可操作地联接到传感器192，且传感器192可以向控制器160提供信息以使得控制器160能够确定对于一种给定材料或对于当前测量的与强制进给工具100的操作相关联的参数而言使用期望的或最优量的进给速率振荡。
如从以上描述可以理解的，齿轮头130的具体部件在一些情况下可以变化。将参考图2描述齿轮头130的一个示例性结构。然而，在一些替代实施方案中，可以采用其他具体结构来体现齿轮头130的部分。齿轮头130的某些部分所采用的结构然后可以影响进给速率振荡器190所采用的对应结构。图2的实施例提供了该可变进给速率振荡器的内部安装配置。然而，外部安装也是可以的(参见图3)。
现在参考图2，齿轮头130可以包括外罩或壳体200，在该外罩或壳体200内部可以容纳驱动组件180和进给组件182的多个部件。马达110可以经由差动单元210可操作地联接到主轴140。差动单元210可以包括差动驱动齿轮212和差动进给齿轮214，差动驱动齿轮212和差动进给齿轮214可以分别接合主轴驱动齿轮142和主轴进给齿轮144。主轴驱动齿轮142和主轴进给齿轮144均可以被可操作地联接到主轴140，以选择性地为主轴140提供驱动和进给。同时，差动驱动齿轮212和差动进给齿轮214均可以被可操作地联接到进给轴216。
在一个示例实施方案中，主轴140可以包括与主轴驱动齿轮142接合的一个或多个狭槽以及与主轴进给齿轮144接合的螺纹。主轴驱动齿轮142和主轴进给齿轮144可以每个还具有大致环形形状，该大致环形形状具有中心开口以容纳主轴140。设置在主轴进给齿轮144上的内螺纹可接合沿着主轴140的长度的外螺纹，以使得当主轴进给齿轮144相对于主轴140旋转时，主轴140将在由箭头220示出的前进进给方向上进给。
差动驱动齿轮212和差动进给齿轮214均围绕进给轴216延伸并且包括与主轴驱动齿轮142和主轴进给齿轮144的相应齿轮齿接合的齿轮齿。差动进给齿轮214被可操作地联接到进给轴216以与进给轴216一起轴向移动。差动驱动齿轮212被可操作地联接到进给轴216，但不与进给轴216一起轴向移动，而是具有供进给轴216滑动穿过的中心开口。
当马达110运转时，输入轴230被转动。一组锥齿轮232/234然后将输入轴230的旋转转化到输入齿轮240。另一个齿轮250被可操作地联接到输入齿轮240。输入齿轮240被可操作地联接到差动单元210(例如，经由差动驱动齿轮212)。差动驱动齿轮212和差动进给齿轮214可以选择性地可操作地彼此联接，以使差动进给齿轮214与差动驱动齿轮212一起旋转(例如，当差动驱动齿轮212和差动进给齿轮214接合时)或不与差动驱动齿轮212一起旋转(例如，当差动驱动齿轮212和差动进给齿轮214不接合时)。主轴驱动齿轮142将通常在马达110运转时由差动驱动齿轮212驱动并且将使主轴140旋转。然而，仅当差动进给齿轮214与差动驱动齿轮212接合时才驱动主轴进给齿轮144。当差动进给齿轮214从差动驱动齿轮212脱离时，差动进给齿轮214和主轴进给齿轮144都变得静止。当主轴进给齿轮144静止时主轴140的旋转于是作为结果导致主轴140被撤回并且在与由箭头220示出的前进进给方向相反的方向上移动。
在一个典型配置中，由上文所描述的操作产生的进给速率将是恒定的进给速率(例如，大约每转0.003英寸的进给速率)。类似地，在一些典型配置中，由主轴140到工件160内的进给的抵抗产生的载荷通常可以由例如设置在可操作地联接到壳体200的某一部分或部件和主轴进给轴承144之间的推力轴承260承受。因此，例如，可以通过改变推力轴承260的形状和功能来实现转换为微啄钻方法的一种方式，从而实现振荡进给速率。然而，采用这样的方法来实现微啄钻将导致固定量的振荡。
为了使得能够实现可变量的进给速率振荡，一些示例实施方案可以采用压电进给速率振荡器270作为图1的进给速率振荡器190的一个示例实施方案。压电进给速率振荡器270可以被体现为接近推力轴承260(在任一侧上)布置的压电环堆。压电进给速率振荡器270可以具有设置到其的电气连接件，以使得电压可以被选择性地施加到压电进给速率振荡器270(例如，在控制器160的控制下)。基于压电晶体的属性，向其施加电压可以导致压电进给速率振荡器270的物理属性改变。特别地，压电进给速率振荡器270的厚度在不施加电压时可以较小且在施加电压时可以增加。因此，通过更改电压，压电进给速率振荡器270可以基于施加的电压相应地改变其厚度。堆叠长度且因此以及生成的切屑厚度也将对应地改变。
因此，例如，如果在施加稳定电压时采用0.003英寸每转的稳定状态进给速率，通过升高和降低施加到压电进给速率振荡器270的电压，可以使该进给速率在例如每转0.001英寸到每转0.005英寸之间振荡。然而，应理解，电压改变的幅度可以对应地改变振荡的振幅。因此，压电进给速率振荡器270可以能够提供对切屑厚度的改变的控制。类似地，通过控制电压施加到压电进给速率振荡器270的时间量(或频率)，可以使切屑的长度变化。在一个示例实施方案中，可以通过施加正弦波形或定制开发的波形来使频率变化，以实现期望的切屑大小。
图3例示了根据一个示例实施方案其内可以定位压电进给振荡器270以供外部安装的区域的横截面视图。如图3中所示，压电进给速率振荡器270可以包括设置在第一推力轴承组282(包括两个推力垫圈和一个推力轴承)和第二推力轴承组284之间的压电环堆叠280。电线286(或可选的用于无线连接的感应线圈)可以被设置以使得压电环堆叠280能够被通电，且电线286可以穿过静止壳体288。压电进给速率振荡器270可以被设置在上部壳体部分290和下部壳体部分292之间。在一个示例实施方案中，波形保留环294被设置以将下部壳体部分292保持到上部壳体部分290并且以提供类似弹簧的功能以允许压电环叠堆280振荡。一些实施方案还可以可选地包括穿过主轴冷却剂和密封件296。
图4例示了根据一个示例实施方案在同一轴线上示出的第一振幅曲线300和第二振幅曲线310。第一振幅曲线300对应于在一个给定频率(或每转进给速率改变的循环数目)电压的较大改变。第二振幅曲线310对应于该给定频率(或每转进给速率改变的循环数目)的电压的较小改变。然而，也可以提供频率改变，如图5a和图5b中所示。在图5a中，在给定振幅和给定频率(即，每转进给速率的两个循环改变)示出了第一频率曲线400。通过增加施加到压电进给速率振荡器270的频率(但不改变电压改变的幅度)，在该给定振幅但用比图5a中示出的给定频率更高的频率，可以生成第二频率曲线410(即，每转进给速率的三个循环改变)，如图5b中所示。
如从以上描述可以理解的，压电进给速率振荡器270可以给出接近无限数目的用于改变进给速率的选项，且可以简单地通过改变施加到压电进给速率振荡器270的电压的振幅和频率来选择所述选项。在一些情况下，操作者可以与控制器160交互以手动地设定振幅和/或频率以获得给定钻孔操作所期望的切屑大小。然而，不同的材料可能具有不同的最佳切屑大小。因此，可能期望使控制器160基于对正被钻孔的材料的知识来自动地选择程控的切屑大小。
在一些情况下，控制器160(其可以包括处理器和存储器(例如，处理电路))可以被配置为提供对应于层压复合材料中不同材料或不同材料层的不同钻孔轮廓的可选择的设置。因此，例如，控制器160可以存储指示复合材料的身份的信息以及描述与形成复合材料的层相关的组成和参数的对应信息。在一些情况下，控制器160因此可以具有描述复合材料内的某些材料的深度和类型的信息。基于钻孔深度，控制器160因此可以确定在该钻孔深度处钻头可能遇到哪种材料。控制器160然后可以存取(例如，经由查找表)在当前深度处遇到的层将生成的期望的切屑大小。控制器160然后可以基于该期望的切屑大小来选择将要提供给压电进给速率振荡器270的电压的振幅和/或频率分布图。提供给压电进给速率振荡器270的电压的振幅和/或频率然后可以基于深度、材料等来调整。
在一个示例实施方案中，两个压电环堆叠可以被采用并且被配置为使得一个充当传感器并且另一个充当压电进给速率振荡器270。在这样的实施例中，充当传感器(例如，图1的传感器192)的压电环堆叠可以基于提供给压电进给速率振荡器270的激励而被压缩，且该传感器可以提供与压缩的量和测量的推力载荷的量成比例的电压输出。此电压输出可以在使得控制器160能够确定何时遇到新的材料层(例如，基于电压输出的改变)中有用，且在一些情况下还可以使得控制器160能够确定正遇到的材料的类型以及对于确定类型的材料的采用的对应的期望的切屑厚度或轮廓。因此，例如，该传感器可以使得控制器160能够(例如，实时地)确定目前期望生成的切屑的厚度的改变量。控制器160可以与该传感器连接以实现与由压电进给速率振荡器270生成的进给速率振荡相关联的又一些响应能力和控制。图6例示了集成压电叠堆500的一个示例平面视图，其中集成压电叠堆500的一部分充当致动器510并且另一部分充当传感器520(例如，作为传感器192的一个实施例)。
通过提供控制在钻孔过程期间生成的切屑大小的能力，控制器160进一步使得能够针对正被钻孔的材料优化钻孔速度。就这一点而言，由于将更容易地实现排屑，因此钻孔速度有时可以增加。附加地或替代地，可变进给速率振荡器的振幅或频率范围可以可调整(即，经由控制器160)到相应最大值与最小值之间的多个非离散值。换句话说，基于电子控制，强制进给工具100可以提供在压电进给速率振荡器270的最小范围和最大范围之间的无限的频率范围和行进范围。
在一些示例实施方案中，该传感器和/或压电进给速率振荡器270可以是配件(例如，图1的配件170的实施例)，且可以是操作者可移除的、可替换的或可插入的。然而，在其他实施例中，压电进给速率振荡器270可以在工厂安装，且可以是强制进给工具100的永久部件。不管压电进给速率振荡器270相对于强制进给工具100固定还是可移除，压电进给速率振荡器270提供在压电环堆叠的最小范围和最大范围之间的无限频率范围和行进范围。压电进给速率振荡器270因此提供可以以电子方式选择性地接合和脱离的振动辅助钻孔功能。对于前进循环和缩回循环可以独立地控制频率和行进。在一些情况下，可以通过在堆叠中设置第二个独立层来实时地测量推力载荷。提供这样的实时数据可以允许控制器检测层压材料堆叠的材料的改变。控制器因此可以改变钻孔参数以匹配正被钻孔的当前材料层。也可以基于推力载荷的测量监测工具寿命，这是由于增加的载荷可能是工具(或钻头)磨损的指示。也可以检测到材料突破以关闭冷却剂和/或调整切割参数。在一些情况下，所提供的附加信息和控制可以允许采用更高的钻孔速度和推力载荷，而不缩短部件的使用寿命。基于压电环堆叠的设计，强制进给工具100本质上可以被用作锤钻或作为振动辅助钻。此外，压电进给速率振荡器270可以内部地或外部地安装到强制进给工具100。
受益于在前述描述和相关联的附图中呈现的教导，这些发明所属领域的技术人员将想到本文阐明的发明的许多改型和其他实施方案。因此，应理解，本发明不限制于所公开的具体实施方案，且应理解改型和其他实施方案被包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管前述描述和相关联的附图在某些示例性元件和/或功能组合的背景中描述了示例性实施方案，但是应理解在不脱离本所附权利要求的范围的前提下，可以通过替代实施方案来提供不同的元件和/功能组合。就这一点而言，例如，与上文明确描述的那些元件和/或功能组合不同的元件和/或功能组合也被设想，如可以在所附权利要求中的一些中阐明的。在本文描述了优点、益处或对问题的解决方案的情况下，应理解这样的优点、益处和/或解决方案可应用于一些示例实施方案，但是不一定可应用于所有示例实施方案。因此，本文所描述的任何优点、益处或解决方案不应被认为对于所有实施方案或本文所要求保护的实施方案是关键的、必需的或必要的。尽管本文采用了特定术语，但是仅在一般和描述性意义上而不是出于限制目的使用所述术语。