專利名稱：同心氣壓/液壓動力進給設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣壓/液壓動力工具，并尤其涉及一種壓力流體驅動的動力進給設備，用來以圍繞輸出軸平均且同心地分配推力的方式而同心地向工具的輸出軸施加推力。
背景技術：
在飛機組裝工作中，經常需要將一個手鉆型擴孔器(reamer)夾緊或以其他方式附著到翼梁或工件的其他區(qū)域，以便該擴孔器能夠自動操作。這個步驟包括將一個安裝到某種類型托架上的氣壓/液壓缸結合進來，而該托架又連接到進行機加工操作，無論是鉆孔、切割或擴孔的動力工具上。如此，氣壓/液壓缸從動力工具橫向偏移。
所產生的問題是要保持安裝到工具輸出軸上的旋轉的加工元件垂直于氣壓缸。但不同的是，輸出軸必須保持與氣壓缸平行并與工件的表面正交。通常，在試圖保持工具的輸出軸與缸完全平行并與工件表面正交的方面，在工具上安裝導軌或一些其他形式的導引結構。由于通常使用較大的托架軸承或導軌，這些常規(guī)問題在大型工具中變得不成問題。但是，對于較小的工具，由高推力負載和固定到工具輸出軸上的部件(如刀具)和提供推力的缸之間的距離而產生的力矩導致刀具扭動，從而推動刀具，而使之偏離與工件表面平行的對準方式。在擴孔操作中，這會導致刀具超出針對正在工件中形成的孔的預定孔公差。
目前用來對準動力工具并支撐動力工具的導軌系統(tǒng)需要精確的公差，要保持這個公差非常困難。迄今為止，保持工具相對于氣壓/液壓缸成正確角度的這個問題需要使用較大的套筒和/或導軌，正使得整個組件變得非常難于操縱和裝配，并且需要很大的空間。
因此，非常希望能夠提供某種形式的設備，該設備可以用來支撐工具，并隨著工具的輸出軸朝向工件導引，圍繞工具的輸出軸均勻地(即同心地)提供推力。這就消除了對龐大笨重的導軌系統(tǒng)和/或托架的需求，并將確保作用在輸出軸上的推力均勻地圍繞輸出軸施加，并從而也均勻地圍繞安裝到輸出軸上的加工元件施加。這種設備還將提供一個緊湊的裝置，來支撐工具及其加工元件。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在一種動力進給設備，用來以相對于工件線性運動的方式進給一個安裝到電機驅動的動力工具的輸出軸上的加工元件。本發(fā)明使得推力能夠圍繞輸出軸的四周均勻施加，并由此圍繞加工元件均勻施加，從而保證了隨著推力的施加，加工元件保持于工件表面平行。
在一個優(yōu)選形式中，該設備包括一個第一管狀元件，該第一管狀元件適于固定到一個與工件相關聯的從屬結構上，如夾具、托架或其他類似結構。提供了一個第二管狀元件，該第二管狀元件相對于第一管狀元件可滑動地移動。第二管狀元件在其上支撐工具，并允許工具的輸出軸通過其延伸而進入第一管狀元件中。第一管狀元件包括圍繞輸出軸同心布置的第一環(huán)狀流體腔。第二管狀元件類似地包括與輸出軸同心地形成的第二環(huán)狀流體腔。第一管狀元件在一端還包括一個鉆孔，用來使工具的輸出軸能夠從其中穿過，并朝向工件延伸且/或延伸到工件中。
在工作中，當壓力流體注入到第一環(huán)狀流體腔時，這導致第二管狀元件相對于第一管狀元件線性滑動地移動。這使得工具的輸出軸從縮回位置線性移動到伸出位置，在該伸出位置，安裝到輸出軸上的加工元件可以用來在工件上執(zhí)行機加工操作，例如，如擴孔操作。當加工元件要縮回時，壓力流體從第一環(huán)狀流體腔中去除，并注入到第二環(huán)狀流體腔中。這使得第二管狀元件沿相反的方向滑動地移動，使得輸出軸回縮，從而將加工元件從工件上退回。
在優(yōu)選實施例中，第一管狀元件還包括偏壓元件，如螺旋彈簧，用來在退回輸出軸時起到輔助作用。偏壓元件設置在一個偏壓元件保持管內，該保持管相對于第一管狀套筒固定地設置，并與第一管狀套筒同心，使得它能夠接納輸出軸。
因此，本發(fā)明的動力進給設備允許氣壓或液壓推力圍繞動力工具的輸出軸均勻地并同心地施加。這使得輸出軸以平順、線性運動的方式得以驅動，而不會產生任何趨于作用在加工元件上而迫使加工元件偏離與加工表面完美平行對準的狀態(tài)的外力。優(yōu)選的是，本發(fā)明的動力進給設備還形成了一個非常緊湊的組件，這個組件可以輕易固定到與工件相關的夾具或其他支撐結構上。
本發(fā)明的其他應用領域將從下面提供的詳細描述中變得清楚。應理解到這些詳細描述的特定示例在表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例的同時僅用于舉例說明的目的，而不用來限制本發(fā)明的范圍。


從詳細的描述和附圖中可以更充分理解本發(fā)明，圖中圖1是根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的動力進給設備的透視圖，也示出了用來相對于工件支撐設備的支撐結構；圖2是沿著圖1中的剖面線2-2截取的圖1的設備的簡化的橫截面?zhèn)纫晥D，示出輸出軸處于縮回位置的設備，并省略了圖1所示的安裝結構；以及圖3是示出輸出軸處于伸出位置的圖2的設備的視圖。
具體實施例方式
下面優(yōu)選實施例的描述實質上僅僅是示例性的，而決不用來限制本發(fā)明、其用途或應用。
參照圖1，示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的動力進給設備10。該設備10被示為由一個導引軸組件12支撐，而該導引軸組件12固定到設備10上。該設備10由卡具16相對于工件14固定。如更詳細描述的，設備10可以按不同的方式固定到工件14上，在這些方式中，有些并不需要卡具16。
設備10通常包括第一管狀元件18和與第一管狀元件18同心設置的第二管狀元件20。第一管狀元件18包括與流體管線24相連接的端口22。流體管線24與壓力流體源26連通，從而允許壓力流體供給到第一管狀元件18的內部區(qū)域中。第二管狀元件20包括與流體管線30連通的流體端口28，該流體管線30也與壓力流體源26連通?？梢允褂眠m當的閥32來引導來自壓力流體源26的流體進入流體端口22或流體端口28內。另外，為兩個流體端口22和28可以采用單獨的壓力流體源。
第二管狀元件20適于固定地支撐工具34。在一個優(yōu)選形式中，工具包括具有電機的鉆。然而，將理解到具有輸出軸的其他形式的工具，或是電動、液動、或是氣動的，顯然都可以由設備10承載。
在普通操作中，當壓力流體經流體管線24供給到流體端口22中時，這導致第二管狀元件20在第一管狀元件18上向下線性移動。隨后，電機34的輸出軸沿圖1附圖中的向下方向被驅動到工件14內。通常，輸出軸在其端部連接有一個加工元件，如擴孔器。再者，將理解到各種金屬加工裝置可以與本設備10一起使用，下面的描述不應僅局限于擴孔器。
設備10的主要優(yōu)點在于壓力流體所產生的推力圍繞輸出軸均勻并同心地施加，使得輸出軸保持與工件14的上表面完美垂直。這與先前研制的系統(tǒng)相反，在先前研制的系統(tǒng)中，采用一個偏離工具的一側定位的缸，并且該系統(tǒng)在推動過程中賦予了一個迫使電機的輸出軸偏離與工件14的表面垂直布置的力。
盡管導引軸組件12不是本設備10的一部分，但是仍提供了對它功能的簡要說明。導引軸組件12包括一個直接安裝到電機34上的導引托架12a，導引托架12a又安裝到一個防轉動軸12b上，而該防轉動軸12b又安裝到一個導引托架12c上。導引托架12c牢固固定到第一管狀元件18的外表面36a上。在電機34工作時，部件12a、12b和12c共同有助于防止電機34相對于第一管狀元件18轉動，同時仍允許第二管狀元件20在第一管狀元件18上向下線性移動。與第一管狀元件18一體形成的接頭(nosepiece)18a提供了一個裝置，該裝置用來使第一管狀元件18可以經卡具16牢固固定到工件14上。另外，接頭18a可以固定到與工件14相關的夾具或其他裝置上。從而，將理解到可采用各種其他方案，以相對于工件固定地支撐設備10。
現在參照圖2和3，將更詳細地描述設備10的內部部件。第一管狀元件18包括第一或外管狀套筒36，該套筒36具有參照圖1所描述的外表面36a。該第一管狀元件18還包括安裝部件38和偏壓元件保持管40。將理解到為了簡明，將安裝部件38示為其上沒有形成接頭18a。
在偏壓元件保持管40內，設置一個偏壓元件，如螺旋彈簧42。流體端口22由管狀套筒36的第一側壁部分46和第二側壁部分48之間的流動路徑44形成。這個流動路徑44通入第一環(huán)狀流體腔50。要注意到第一環(huán)狀流體腔50與電機34的旋轉驅動的輸出軸52同心設置是至關重要的。偏壓元件42和偏壓元件保持管40與輸出軸42同心地設置。環(huán)狀空腔54形成在偏壓元件保持管40和管狀套筒36的內壁56之間。在這個示例中，電機34及其輸出軸52形成電鉆(electrically driven drill)。
管狀套筒18螺紋固定到安裝部件38上。類似地，偏壓元件保持管40包括下螺紋端58，這個下螺紋端固定在安裝部件38的螺紋孔60內。安裝部件38包括中心鉆孔62，用來允許輸出軸52通過它向工件14延伸(圖2中未示出)。下軸承組60a和相關的密封件60b也設置在偏壓元件保持管40內部的螺紋孔60中?？蛇x地是，安裝部件38可以包括下螺紋端64，這個下螺紋端64可以與夾具或其他類似結構中的螺紋孔螺紋接合，從而相對于夾具或類似結構固定地支撐設備10。
繼續(xù)參照圖2，第二管狀元件20包括外管狀套筒66和內管狀套筒68。外管狀套筒66包括與流體端口28相連通地流體流動通道70。流體通道70與環(huán)狀流體腔72連通，而環(huán)狀流體腔72與輸出軸52同心地設置。環(huán)狀流體腔72形成在內管狀套筒68的外表面74和外管狀套筒66的內表面76之間。內管狀套筒68的上端部78與上安裝部件80螺紋接合，而上安裝部件80又與電機34殼體的一個螺紋部分(未示出)螺紋接合。外管狀套筒66在螺紋孔82處螺紋連接到上安裝部件80上。在這個特定實施例中，隨著第一管狀元件18滑入到第二管狀元件20內，第二管狀元件20為第一管狀元件18提供了一個千分尺深度定位器(micrometer depth stop)和一個硬定位器(hard stop)。千分尺深度通過鎖緊螺母97在系統(tǒng)上予以保持。在上安裝部件80內設置一個上軸承組81a及其相關的密封件81b。軸承組81a和60a有助于保持輸出軸52與第一和第二管狀元件18和20同心。
進一步參照圖2，第一O型密封圈84在內管狀套筒68上端處的外表面與外管狀套筒66的內表面之間提供密封。第二O型密封圈86在內管狀套筒68的外表面和外管狀套筒36的內表面之間提供密封。設置在內管狀套筒68的下部外邊緣89和外管狀套筒36的內壁56之間的第三O型密封圈88在這個區(qū)域提供密封。由此，O型密封圈84和86在壓力流體注入到環(huán)狀流體腔72之內時密封該環(huán)狀流體腔72。O型密封圈86和88作用為在壓力流體注入到環(huán)狀流體腔50之內時密封環(huán)狀流體腔50。
進一步參照圖2，導引元件80包括主體部分90，該主體部分具有一個帶凸緣92的下端。主體部分90穿過導引元件94中的開口93，并與偏壓元件42形成接觸。凸緣92的直徑允許它插入到偏壓元件保持管40內，并隨著輸出軸52在伸出和縮回位置之間移動而在管40內上下滑動。
現在轉到設備10的操作，當壓力流體供給到端口22時，這導致環(huán)狀流體腔50充滿壓力流體。這導致第二管狀元件20的內管狀套筒68沿圖2中附圖的向下方向被驅動到圖3所示的位置。重要的是，壓力流體提供的推力圍繞輸出軸52均勻并同心地分布。從而在輸出軸52上不會施加趨于使其偏離完美垂直于工件14的上表面延伸的軸心位置的力。隨著導引元件80與內管狀套筒68一起向下驅動，壓力流體的力壓縮偏壓元件42。將理解到，在輸出軸52進入延伸位置的這個運動過程中，要求流體端口28能夠自由地通過流體通道70排出累積在環(huán)狀流體腔72內的流體。而且，可選地，在流體端口28處采用一個流動控制裝置，來控制輸出軸52的向下推動和/或速度。
隨著第二管狀元件20沿附2中的向下方向移動，外管狀套筒66和管狀套筒68由第一管狀元件18的外管狀套筒36導引。這有助于確保導引元件80保持與輸出軸52的縱軸完全同心。在圖3中，示出輸出軸52處于它的完全伸出位置狀態(tài)下的設備10。
當輸出軸52要縮回(即，移動回到圖2所示的位置)時，施加到端口22上的流體壓力被去除，由此使得環(huán)狀流體腔50內累積的流體通過流動路徑44和端口22排出。這與壓力流體通過流動路徑70被導引到端口28上并導入環(huán)狀流體腔72內同時進行。進入環(huán)狀流體腔72的流體作用在第二外管狀套筒66上，從而迫使套筒66沿圖2的附圖中的向上方向移動。偏壓元件42也有助于迫使整個第二管狀元件20遠離第一管狀元件18向上移動。第二管狀元件20的向上回縮運動由第一管狀元件18的頂面98的接合而予以限制，該頂面98抵靠外管狀套筒66的凸緣99。將理解到，在一些應用中，偏壓元件42本身足以提供所需的回縮力。
因此，本發(fā)明的設備10提供了一種簡單、非常緊湊的裝置，該裝置用來將推力施加到工具的輸出軸上，而不會趨于迫使輸出軸偏離與工件外表面完美垂直的排列狀態(tài)。由于本設備10不需要任何外部托架或導軌系統(tǒng)，因此它形成了一個非常緊湊的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以更容易地操縱、組裝和使用，并可方便地應用到各種類型的工件上。尤其是，本發(fā)明非常適于飛機制造工作，在該情況下，采用高精度鉆孔和擴孔操作，來在各種尺寸和形狀的部件上形成直徑非常精確的孔。
現在，本領域技術人員可以從前面的描述中理解到本發(fā)明的廣泛教導可以以各種形式來實現。因此，雖然本發(fā)明參照其特定示例加以描述，但是本發(fā)明的范圍不應受到如此限制，因為在研究附圖、說明書的附加的權利要求時，本領域技術人員可以清楚地理解各種其他改進。
權利要求
1.一種動力進給設備，用于將安裝到動力工具輸出軸上的加工元件以相對于工件線性移動的方式進給，從而將施加到所述輸出軸上的推力圍繞所述輸出軸均勻并同心地分配，所述設備包括第一管狀元件，該第一管狀元件適于連接到與所述工件相關聯的從屬結構上，所述第一管狀元件具有第一流體端口；第二管狀元件，該第二管狀元件適于相對于所述第一管狀元件滑動地移動，所述第二管狀元件適于相對于所述第一管狀元件同心地支撐所述電機的所述輸出軸；所述各管狀元件的表面在它們之間限定了一個第一流體腔，該第一流體腔圍繞所述輸出軸同心地布置；以及其中，將來自流體源的流體壓力引入到所述流體腔中作用以推動所述第二管狀元件，并從而推動所述輸出軸相對于所述第一管狀元件線性移動到伸出位置處，并將推力圍繞所述輸出軸均勻并同心地分配。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述管狀元件限定了一個第二流體腔和一個第二流體端口，該第二流體腔與所述第一流體腔獨立，而第二流體端口與所述第二流體腔連通；且供給到所述第二流體腔內的壓力流體導致所述第二管狀元件線性移動，并從而使所述輸出軸從所述伸出位置線性移動到縮回位置。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一管狀元件包括偏壓元件，該偏壓元件將力施加到所述第二管狀元件上，從而在所述流體壓力從所述第一流體端口去除時，促使所述第二管狀元件從所述延伸位置回到縮回位置。
4.如權利要求1所述的設備，其中，所述第二管狀元件包括一個外管狀套筒和一個與所述外管狀套筒同心設置的內管狀套筒，用來導引所述第二管狀元件相對于所述第一管狀元件滑動。
5.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一管狀元件包括一個外套筒和一個與所述外套筒同心設置的內套筒，以便在二者之間限定一個環(huán)狀區(qū)域，用來導引所述第二管狀元件的一部分。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一管狀元件包括一個安裝部件，該安裝部件適于連接到所述從屬結構上，所述安裝部件具有一個鉆孔，以允許所述輸出軸穿過它線性移動。
7.一種動力進給設備，用于將動力工具的輸出軸以相對于工件線性移動而不會阻礙所述輸出軸的轉動的方式進給，并且以施加在所述輸出軸上的推力圍繞所述輸出軸均勻并同心分布、同時所述輸出軸在一個縮回位置和一個伸出位置之間線性移動的方式進給，所述設備包括第一管狀元件，該第一管狀元件包括一個外套筒和一個內管，該外套筒和內管在二者之間限定了一個環(huán)形區(qū)域，所述第一管狀元件適于牢固地固定到與所述工件相關的從屬結構上；第二管狀元件，該第二管狀元件包括一個第二外管狀套筒和同心地設置在所述第二外套筒之內的第二內管狀套筒，所述輸出軸自所述第二管狀元件支撐，并同心地延伸過所述第二內管狀套筒和所述內管；所述外套筒和所述內管在二者之間限定了一個第一環(huán)狀區(qū)域，所述第二內管狀套筒的一部分在所述第二管狀元件運動期間在該區(qū)域中運動；以及在所述第二內管狀套筒和所述外套筒之間形成的第一環(huán)狀流體腔，使得供給到所述第一流體腔內的壓力流體導致所述輸出軸從所述縮回位置線性移動到所述伸出位置。
8.如權利要求7所述的設備，其中，所述第二外管狀套筒和所述第二內管狀套筒在二者之間形成一個第二環(huán)狀流體腔，使得注入到所述第二環(huán)狀流體腔內的所述壓力流體在所述第一環(huán)狀流體腔未由所述壓力流體加壓的情況下導致所述第二管狀元件運動，并進而導致所述輸出軸從所述伸出位置移動到所述縮回位置。
9.如權利要求7所述的設備，其中，所述第一管狀元件包括一個安裝部件，用來使所述設備能夠牢固地固定到與所述工件相關地所述從屬結構上。
10.如權利要求7所述的設備，還包括至少一個O型密封圈，該密封圈設置在所述外套筒和所述內管之間。
11.如權利要求7所述的設備，其中所述內管包括一個偏壓元件保持管，該偏壓元件保持管與所述外套筒同心地固定設置；以及所述第二管狀元件包括一個輸出軸導引管，所述輸出軸導引管與所述第二外管狀套筒同心地設置；其中，所述設備還包括一個偏壓元件，該偏壓元件設置在所述偏壓元件保持管之內；并且所述偏壓元件作用在所述輸出軸導引管上，以便在所述流體壓力從所述第二環(huán)狀流體腔去除時，在縮回所述輸出軸中起輔助作用。
12.如權利要求9所述的動力進給設備，還包括一個軸承組件，該軸承組件設置在所述安裝部件中，用來幫助保持所述輸出軸與所述第一管狀元件同心。
13.如權利要求7所述的動力進給設備，還包括一個軸承組件，該軸承組件安裝在所述第二管狀元件內，用來幫助保持所述輸出軸與所述第二管狀元件同心。
14.一種方法，用于將動力工具的輸出軸以相對于工件線性移動且不阻礙所述輸出軸轉動的方式進給，并且以將施加到所述輸出軸上的推力圍繞所述輸出軸平均并同心地分布、同時所述輸出軸在一個縮回位置和一個伸出位置之間線性移動的方式進給，該方法包括提供一個第一管狀元件，該第一管狀元件適于牢固安裝到與所述工件相關的從屬結構上，并且包括一個鉆孔，用來允許所述輸出軸通過該鉆孔延伸到所述工件中；提供一個第二管狀元件，該第二管狀元件的直徑足夠大，以允許在所述第一管狀元件上滑動，所述第二管狀元件包括一個布置成延伸到所述第一管狀元件內部區(qū)域中的部分，所述第二管狀元件在其上支撐一個用于驅動所述輸出軸的電機，而所述加工元件與所述第一管狀元件內的所述鉆孔同心地排列；在所述第一管狀元件內形成一個第一環(huán)狀流體腔，用來在壓力流體注入到所述第一環(huán)狀流體腔內時使所述第二管狀元件朝所述第一管狀元件被線性推動，由此，導致所述輸出軸從所述第一管狀元件朝向所述工件伸出；以及在所述第二管狀元件內形成一個第二環(huán)狀流體腔，用來在壓力流體注入到所述第二環(huán)狀流體腔內時，使所述第二環(huán)狀元件遠離所述工件縮回。
15.如權利要求14所述的方法，還包括利用設置在所述第一或第二管狀元件之一內的彈簧來在縮回所述輸出軸中起輔助作用。
16.一種方法，用于將動力工具的輸出軸以相對于工件線性移動且不阻礙所述輸出軸轉動的方式進給，并且以將施加到所述輸出軸上的推力圍繞所述輸出軸平均并同心地分布、同時所述輸出軸在一個縮回位置和一個伸出位置之間線性移動的方式進給，該方法包括提供一個第一管狀元件，該第一管狀元件適于牢固安裝到與所述工件相關的從屬結構上，并且包括一個鉆孔，用來允許所述輸出軸通過該鉆孔延伸到所述工件中；提供一個第二管狀元件，該第二管狀元件的直徑足夠大，以允許在所述第一管狀元件上滑動，所述第二管狀元件包括一個布置成延伸到所述第一管狀元件內部區(qū)域中的部分，所述第二管狀元件在其上支撐一個用于驅動所述輸出軸的電機，而所述輸出軸與所述第一管狀元件內的所述鉆孔同心地排列；在所述第一管狀元件內形成一個第一環(huán)狀流體腔，以在壓力流體注入到所述第一環(huán)狀流體腔內時，促使所述第二管狀元件朝所述第一管狀元件線性推動，由此，導致所述輸出軸從所述第一管狀元件朝向所述工件伸出；以及利用設置在所述第一和第二管狀元件之一內的偏壓元件來縮回所述輸出軸。
17.如權利要求16所述的方法，還包括在所述第二管狀元件中形成一個第二環(huán)狀流體腔，在壓力流體施加到所述第二環(huán)狀流體腔中時，縮回所述輸出軸。
全文摘要
一種動力進給設備，用來將推力施加到電機驅動工具(34)的輸出軸(52)上，以驅動輸出軸朝向工件線性移動以及遠離工件線性移動，而不會相輸出軸施加離軸的力，這種力會導致輸出軸偏離與工件外表面完美垂直對準的狀態(tài)。該設備包括牢固固定到夾具或其他與工件相關的類似安裝結構上的第一管狀元件(18)。提供了第二管狀元件(20)，用來沿第一管狀元件線性滑動。間隔開的環(huán)狀流體腔(50、72)與相關的流體端口(22、28)形成在設備中，允許壓力流體用于伸出工具的輸出軸以及縮回工具的輸出軸。工具本身支撐在第二管狀元件上，并因此與第二管狀元件一起線性移動。
文檔編號B23Q5/26GK1662343SQ03814945
公開日2005年8月31日 申請日期2003年4月24日 優(yōu)先權日2002年5月1日
發(fā)明者邁克爾·M·斯特潘, 羅杰·A·蓋奇 申請人:波音公司