自保持且自驱动的钻孔系统的制作方法

1.本公开内容总地涉及钻孔设备，具体涉及连续不断地将其自身保持在物体表面同时施加驱动力以钻出通过物体表面的孔的钻孔设备。


背景技术：

2.钻孔机是一种用于驱动附接的可更换钻头进入物体表面中并产生孔的机械设备。钻孔机操作者必须在钻孔机上施加朝向物体表面的保持力并驱动钻头的尖端紧贴物体表面。此力必须始终如一地施加并随着钻头的典型的螺旋轮廓钻削孔通过该表面而调整。然而，手动的钻孔机操作是沉闷且费力的体力活，很快就会使操作者疲劳，尤其是在人体工学不适当的情况下。
3.自保持装置，诸如在美国第2020/0338695号专利申请(下文称
‘
695)中描述的真空吸盘夹具，主要包括刚性基座元件和附接至其的环形真空密封元件。在物体表面与基座元件之间、又在密封元件的范围内所产生的真空迫使真空吸盘夹具紧贴物体表面。尽管这些装置很好地将其自身保持在不同物体表面，但是仅靠这些装置不能克服钻孔机与该表面之间的反作用力，这会将真空吸盘夹具从物体表面推开。例如，钻孔机在其操作时有力地将其自身推离物体表面，因此仿效操作人员的保持力必须相应地调整压力同时仍紧贴物体表面在钻孔机上施加驱动力。可以利用反馈机构，它可以感测这些力并且连续地调整施加保持力的致动器以防止钻孔机将其自身推离，但是此机构极其昂贵，并且无法确保安全操作，例如，如果传感器或致动器失效的话。而且，由于真空吸盘夹具性能会在用于不同材料的物体表面时不同，所以在钻孔机上维持可靠的保持力的问题是很复杂的。
4.因此，需要无论被钻物体表面的类型如何都提供可靠、防失效的自动操作的自保持且自驱动的钻孔系统。


技术实现要素：

5.公开了一种自保持且自驱动的钻孔系统，其包括具有钻孔口、密封元件和抽气装置的真空吸盘夹具基座。密封元件包括设置在真空吸盘夹具基座的外通道内的周缘密封件，以及设置在内通道内或围绕钻孔口的内密封件。抽气装置的动作在由密封元件、真空吸盘夹具基座以及物体表面所包含的第一容积中创建了低压环境。第一容积与周围环境之间的压力差产生了保持力，当真空吸盘夹具基座被压在物体表面时，保持力导致密封元件顺应物体表面。
6.钻孔系统还包括联接至真空吸盘夹具基座的钻孔组件。钻孔组件包括横向于钻孔口的钻孔设备。一个或多个活塞管与壳体对齐地横向地安装至真空吸盘夹具基座。活塞管的线性气动操作引起钻孔设备相对于真空吸盘夹具基座在竖直方向移动。基座中的一个或多个孔允许第一容积与活塞管所包含的第二容积形成流体接触。
7.保持力与第一容积的第一表面积成比例，并且将自钻孔系统有效地保持至物体表面。而且，由第二容积中的低压环境将驱动力施加在钻孔设备上。驱动力等于常规操作期间
由物体表面施加在钻孔设备上的反作用力，并且与第二容积的第二表面积成比例。因为第一表面积大于第二表面积，所以保持力总是大于驱动力，因此导致钻孔设备被推入物体表面中而不将真空吸盘夹具基座从物体表面抬起，也不会使密封元件让位。
附图说明
8.本发明的实施方式通过示例的方式图示并且不限于附图，附图中相似的附图标记指代类似的元件，其中：
9.图1是根据一个或多个实施方式的示例性自保持钻孔系统的立体图。
10.图2是图示出内部部件的自保持钻孔系统的立体图。
11.图3a是自保持钻孔系统的局部分解图，示出了真空吸盘夹具基座和密封元件的组件。
12.图3b是真空吸盘夹具基座的俯视立体图。
13.图4是自保持钻孔系统的仰视立体图。
14.图5a是活塞管的立体图，图5b和图5c是活塞管的剖视图。
15.图6是自保持钻孔系统的主视立体图，示出了距离限制元件。
16.图7是紧贴物体表面使用的自保持钻孔系统的主视立面图。
17.本实施方式的其他特征将从附图和下文的具体实施方式中看出。
具体实施方式
18.如下文所述的示例实施方式可用于提供一种自保持钻孔系统。如本文所使用的，“自保持”不仅指如在美国第2020/0338695号专利申请(下文称
‘
695)中描述的目前的真空吸盘夹具技术的使用，而且也指如本文所述的钻孔系统的迫使其钻孔设备紧贴物体表面而不将整个系统抬离该物体表面的能力。参考图1，图示了示例性自保持钻孔系统100(下文称“钻孔系统100”)。钻孔系统100包括真空吸盘夹具基座110和联接至其的钻孔组件120。
19.真空吸盘夹具基座110可与
‘
695的刚性基座元件(见
‘
695的图8的附图标记141)类似，即，其包括在真空吸盘夹具基座110紧压物体表面时顺应物体表面的密封元件112。参考图2，剖视图示出了钻孔系统100的内部部件，包括但不限于：气泵102，其从真空吸盘夹具基座110抽气；电池104，其通过便携方式向钻孔系统100的电子器件供电；触发器106，其向钻孔系统100的使用者提供电源控制；柔性线缆套107，其隔绝钻孔组件120与钻孔系统100的其他内部部件之间的通信联接；释放阀108，其在被操作时通过使压力在钻孔系统100的内部容积与环境空间之间相等而将钻孔系统100从物体表面释放。例如，释放杆构造成从真空吸盘夹具基座的释放孔提起气塞(例如释放阀108)，从而允许手动释放低压环境。尽管钻孔系统100示出为通过便携电池104供电，但是可以理解，钻孔系统100可适用于通过联接的电源线从a/c电源接收电力。
20.参考图3a，钻孔系统100的局部分解图示出了真空吸盘夹具基座110和密封元件112的组件。另外，参考图3b，示出了真空吸盘夹具基座的俯视立体图。真空吸盘夹具基座110包括由外壁、内壁和接收表面限定的周缘外通道111。另外，真空吸盘夹具基座110可包括类似地限定但围绕钻孔口114定位的内通道113，钻孔设备的钻头(未示出)可延伸穿过钻孔口114。密封元件112由两部分组成：与周缘外通道111配合的周缘密封件112a，以及与内
通道113配合的内密封件112b。密封元件112可由可收缩的材料制成，诸如泡沫，其局部变形并且被外通道111和内通道113的壁引导紧贴物体表面以形成气密密封。
21.在一个实施方式中，气泵102提供收集钻孔设备所产生的碎屑以及其他废料的吸力。此吸力可通过和/或围绕钻孔口114移除碎屑并将碎屑引导至局部储存区域。
22.参考图7，示出了钻孔系统100的主视立面图。如图所示，钻孔系统100紧压物体表面140。若提供充足的驱动力150，联接至钻孔设备的钻头121就可钻削入物体表面140中。然而，与驱动力150相等的反作用力155推动钻头121并因此推动整个钻孔系统100。因此，至关重要的是，该驱动力150不超过真空吸盘夹具基座110施加在钻孔系统100上以将其一直保持紧贴物体表面140的保持力160。
23.参考图6，钻孔系统100的主视立体图示出了距离限制件160，一旦钻孔系统达到了竖直下极限，距离限制件160就使钻孔系统100的操作停止。距离限制件160可包括可滑动地定位在限制件壳体162内的距离限制杆166。距离限制杆166可包括其侧面上的槽，从而允许距离限制杆166竖直地移动并固定在竖直位置。限制件壳体162可包括与距离限制杆166的槽互补的突起。在距离限制杆166的面向真空吸盘夹具基座110的上表面的端部上，距离限制杆166可包括可操作地联系于钻孔设备的按钮尖端168，即，当按钮尖端被按下时，钻孔设备停止操作。但气泵的操作不停止，这防止了钻孔系统100在完成钻孔后将其自身从物体表面移走。
24.气泵102的操作用于从真空吸盘夹具基座110、密封元件112以及物体表面(未示出)所包含的容积118抽气。由于容积118的低压环境，真空吸盘夹具基座110和该物体表面彼此施加与容积118的表面积成比例的保持力160和相等的反作用力165。重要的是，请注意真空吸盘夹具基座110的表面积通过使用如图所示的包括网格结构的吸盘而被最大化。
25.钻孔组件120包括壳体122，壳体122具有包围钻孔设备(未示出)的侧壁。钻孔设备采用典型的具有各种形状因数、材料的多种钻头，并且在中心安装在钻孔口114上。钻孔设备的向下的力会将壳体122向上推动。壳体122侧壁的顶部包括活塞卡圈124，活塞卡圈124将一个或多个活塞管130保持紧贴真空吸盘夹具基座110。活塞管130横向地安装至真空吸盘夹具基座110并且与壳体122竖直地对齐。参考图4，钻孔系统100的仰视立体图示出了活塞管130的结构以及相对于真空吸盘夹具基座110的定位。另外，参考图5a和图5b，分别示出了立体图和剖视图。活塞管130包括环形侧壁132、顶盖134、联接至真空吸盘夹具基座110的底座136、容纳在环形侧壁132内的活塞138，以及在第一端139a横向地联接至活塞138并且在第二端139b联接至活塞卡圈124的轴杆139。活塞138在环形侧壁132内可滑动，轴杆139可滑动穿过顶盖134。
26.回到图7，也参考图3b，如图所示的活塞管安装座115包括平衡孔117，其在容积118与环形侧壁132、活塞138以及底座136所包含的容积119之间提供开放接口。给定容积内的向外的力f表征为该容积与周围环境170之间的压力差δp乘以该容积的表面积a，示为：
27.f＝δp*a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(等式1)
28.容积119中的低压环境引起活塞管130在钻孔设备上施加驱动力150(fd)并随后施加在物体表面140上。fd等于常规操作期间由物体表面140施加在钻孔设备上的反作用力155(f
d’)。
29.fd＝fd’ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(等式2)
30.基于上面的等式1，驱动力fd对于容积119与周围环境170之间的压力差(δp)以及容积119的表面积a1成比例，示为：
31.fd＝δp*a1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(等式3)
32.容积119承担与容积118相同的压力差。容积118与周围环境之间的δp引起真空吸盘夹具基座110紧贴物体表面140在钻孔系统100上施加保持力fh。与fd相似，fh相对于容积118与周围环境170之间的δp乘以容积118的表面积a2成比例，示为：
33.fh＝δp*a2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(等式4)
34.由于容积119的表面积(a1)总是显著小于容积118的表面积(a2)，因此fh总是大于fd，这导致钻孔系统100保持紧贴物体表面140同时维持钻孔设备上的fd不超过保持力fh，因此防止钻孔系统将其自身抬离物体表面140。
35.本文所引用的所有参考，包括专利、专利申请以及公开物都出于所有目的、在与每个单独的公开物或专利或专利申请出于所有目的被具体和单独指明通过引用而整体并入的程度相同的程度上通过引用整体并入本文。