驅動飛輪的緊固件驅動工具和驅動單元的製作方法

2023-05-19 02:24:51 2

專利名稱：驅動飛輪的緊固件驅動工具和驅動單元的製作方法
技術領域：
本發明廣泛地涉及一種用於將能量脈衝提供給工件的裝置，更具體地說，所涉及的是一種用於驅動具有可動工件的工具、器具和裝置的單元。本發明也廣泛地涉及一種緊固件電動驅動工具，更具體地說，所涉及的是一種緊固件驅動工具以及用於使工具的飛輪與驅動器相連接的圓錐形離合器，該驅動器用於連接並驅動緊固件。
以往當要求用大的能量衝擊力去操作一個緊固件打擊工具(例如錘釘機或釘書機)來建造構件時，通常用氣動壓力去驅動這類工具。氣動壓力的緊固件打擊工具，眾所周知要求有一個設置在現場的壓縮機，這樣的工具能將一枚3寸或更長的釘子或釘書釘打入木結構中，例如硬度為2×4S的木結構中。
電驅動工具，諸如螺線管操作的緊固件打擊工具也是眾所周知的。這些工具基本上只用於輕負荷的場合，例如打擊1寸的角釘，而不能用在建築物件的2-4寸的釘子上。
在不依靠壓縮機而提供重負載，即高動力緊固件打擊工具方面已經花費了相當大的精力，一個可替代的辦法是使用飛輪作為一個傳送足以驅動重負載的緊固件打擊器的運動能量的裝置。這類系統的例子在美國專利4042036；4121745；4204622和4298072以及英國專利2000716中已有過公開。
儘管在發展飛輪驅動緊固件打擊工具方面已經花費了大量的時間，然而這類工具仍然存在它們特有的問題。例如在使用兩個飛輪的工具中，實際上需要為每個飛輪提供分開的電機。這兩個電機將給工具增加可觀的重量和體積，並且難以做到同步。另一個辦法是在電機軸上安裝一個飛輪然後通過一系列的皮帶和皮帶輪或鏈條和鏈輪驅動第二個飛輪。這類驅動方式十分複雜，難以調節並且容易磨損。
在這類工具中另一個有問題的方面包括該設備要使一個飛輪作朝向和離開另一個飛輪的方向運動。例如一個運動的飛輪最好被移動至與相鄰的飛輪一起形成的操作位置中，動輪的圓周與靜止輪的圓周相隔的距離應小於驅動器最厚部分的公稱厚度，以便能撞擊兩輪之間的驅動器。然後運動飛輪被向相反方向移動到非操作位置，這時動輪和靜輪圓周的間隔應大於驅動器的最大公稱厚度，以便能返回作另一次打擊。所以這種使一個飛輪相對另一個產生這種移動的系統十分複雜並且無法都滿意。
在這種工具中至今令人關心的另一個問題是使驅動器從驅動衝擊端返回到其正常的收縮位置的手段。為此已經發展了一套彈簧，皮帶輪和彈性繩的複雜系統。然而這樣的系統已經被證明由於受負荷、潤滑劑以及工具殼體內的外部材料的影響，易於磨損、伸長和變質。當使用彈簧時，若其衝擊或行程範圍太大，彈簧將提早損壞而要求更換。在其它系統中，採用了一個動力返回輪子和一個惰性輪子在驅動衝擊後該惰性輪子將一個自由的浮動驅動器移動到其正常位置，發現這些系統也難以滿足要求。
除這些考慮以外，當考慮用飛輪作為能量裝置時，使用這種工具還可能出現其它的問題。特別地，當啟動或轉動飛輪動力工具時，能量從飛輪轉移到緊固件打擊器或垂體上，例如用於打擊緊固件。實質上，飛輪以能提供足夠的轉動慣性的某一速度轉動，這樣當飛輪耦合到緊固件打擊器時才有足夠的動力去將長的結構緊固件打入目標。例如，典型的結構緊固件有大約3—到4寸長，需要50馬力的動力才能將其全部釘入木頭。
當使用飛輪驅動打擊器時，明顯要消耗飛輪的能量，降低飛輪的期望的起動或開始速度。所以在打擊器能夠以同一動力作重複地驅動操作以前，必須使飛輪的速度回復到期望的或起始的速度。然而將飛輪往回加速到要求的或設定的速度的時間可能遠遠滯後於用戶希望設置另一個緊固件的頻率。換言之，已知的在這種工具中的飛輪能量系統的結構局限性限制了它們的使用頻率或使用重複速率。
同時飛輪能量系統可能被要求設計成僅在時間增量增加的全過程中傳遞幾個相似動力的能量脈衝，當飛輪向下轉動時，這種操作如一個實際物體一樣是難以控制的。所以最好是提供一種飛輪操作工具，它能在由通常使用頻率所要求的時間間隔內，將飛輪快速加速到要求的或起始的速度。
一個有關的考慮是飛輪被加速到的那個要求的速度應是可重複地和一致地被回復和精確地調節的所要求速度的過調節，調節不足或移動會導致緊固件驅動力過大或不足，因而，使緊固件設置太深或不夠深。
緊固件驅動方面的另一個考慮，是緊固件長度或外形的變化以及要釘入緊固件的材料的變化。因此，最好是調節高負載緊固件驅動工具適應這種變化，同時又能在選定的操作範圍內快速一致地重複緊固件驅動操作。
更精確地說，給定了飛輪的機械和尺寸說明，知道了工具必須施加的驅動力，就可以確定飛輪要求的角速度範圍。為了使驅動動作具有必需的一致性和可重複性，並且不對緊固件過驅動或驅動不足，連接飛輪的電機的速度必須被調整到在±1％以內。一個適合驅動力範圍要求的典型的電機角速度的可選擇範圍為7000轉/分到15000轉/分，當採用重量為0.87磅的飛輪時，其慣性力矩為4.016×10-4ft.-1bs.sec2。此外，當此工具打擊緊固件時，緊固件動能將增加而飛輪的速度將減少。電機必須在500毫秒內被反向加速到選定的速度。同時電機和它的控制對高噪聲環境，例如，其它高動力設備產生的輻射噪聲和動力線噪聲以及電機自身的電刷噪聲無響應也是十分必要的。此外，打擊工具常常用於鉤搭的臨時電源的環境中，其中電壓脈動是頻繁和劇烈的，為了商業上有生命力，電機和它的控制設備必須重量輕，價格便宜，並是一種可攜式手持工具。
對於各種不同類型的電機現在已知存在著多種電機速度控制系統。例如摩託羅拉的TDA1085c是一種集成電路元件，它採用具有電壓比較速度反饋環的三端雙向可控矽相角控制，提供一種通用電機的速度控制。在許多資料中電機速度控制是利用鎖相環作為無電刷直流電機的基本控制的。在通用的交/直流電機控制中使用鎖相環代替相角控制的理論和實踐也是公知的。此外，現有的可攜式手持工具其速度是可選擇的。但是，這些系統在性質上是典型的開環系統，不需要精確地閉環速度控制，這種開環速度控制系統可以通過將送到電機上的電源在半波和全波之間打開來獲得，或通過在電路中接入或斷開選定的電機線圈或通過機械嚙合來實現。而對電池供電的可攜式手持工具典型地是向永磁線圈電機施加脈寬調製電流實現控制。
這些已知的電路沒有一種能為手持便攜裝置中使用的通用交/直流電機提供一種具有本發明的速度範圍、精度和反應時間要求的速度控制電路。
因此，在工業上尚無法提供一種可靠、輕便、相對簡單的機電緊固件打擊工具，並且這種工具能有效地、一致和可重複地打擊各種尺寸的緊固件、特別是在重負荷構件應用中需要的尺寸的緊固件。
對電動工具，特別是具有飛輪操作的或其它手持工具的進一步的考慮是打擊單元的重量和花費。具有先進技術的速度控制的馬達可能非常笨重和昂貴。所以，以相對較低的價格為緊固件打擊工具或為工具、器械或其他裝置的打擊單元提供一種相對輕便的速度控制電機是人們所期望的。
本發明另一方面也注意到許多工具和器具是手持的或者用手來操縱的。在這樣的應用場合中，不僅需要提供一種相對輕型的能源，同時也需要獲得得到平衡的工具或器具。在上面鑑定的已有應用中，緊固件打擊工具是由電機帶動的飛輪提供動力的，此時兩個飛輪和電機位於該工具的前端。這種裝置的重力中心是向前的，使工具保持平衡是困難的。另一方面，從飛輪上移走電機要求對驅動進行耦合或延伸，這樣會增加工具的重量和消耗有效動力。這可能要求用一個大的電機，並且附件的重量增加。所以提供一個改進的、有良好平衡的手持緊固件打擊工具和一個便於和該手持工具平衡的打擊單元是人們的希望。
同時，對緊固件打擊工具和它們的具體應用來說前面提到的考慮是重要的，許多工具、器械和裝置的操作，要求對工作部件施加起動力或能量脈衝。許多這樣的設備僅需對去完成任務的器械或部件作一次短暫或有限的動作。除了上面提到的飛輪和氣動系統外，現時這種設備還有通過電機或螺線管，例如通過內部燃燒裝置，彈簧或其他裝置，以電力或液壓作為動力的。僅作為例子，除緊固件驅動工具外，要求或使用各種能源去移動工作部件的裝置包括，紙片打孔機，材料衝壓機，剪床，切割機，修剪機，扳鉗，齒形壓輥，鉚釘機，粉磨機，打夯機，充氣機，制動閘，鑿刀，材料處理裝置，錘床，錘鑽，軋光機，泵，壓花機，夾持器和許多其它工具和器械，最好為這些工具提供一個改進的打擊或動力單元。
本發明的一個目的是提供一種經過改進的用於為工件提供能量脈衝的裝置。
本發明的另一個目的是提供一種經過改進的裝置，用於將飛輪所產生的能量脈衝提供給工具或器具的緊固件驅動器或工件。
本發明的再一個目的是提供一種動力裝置及其控制電路，用於以選定的轉速驅動飛輪，並能在轉速下降後快速地恢復上述轉速。
本發明的再一個目的是提供一種經過改進的採用飛輪驅動的緊固件驅動裝置，它能夠以所需的循環頻率產生所需的能量脈衝。
本發明的再一個目的是提供一種經過改進的手持式電動工具。
為實現這些目標，本發明的一個優選的實施方案包括一個以可操作的方式安裝在一個緊固件打擊工具中的動力或打擊單元。一個安裝在工具殼體中的飛輪，一個從殼體向後伸出的手柄，它具有一個電機用來驅動安裝在殼體遠端的飛輪。一根與電機匹配的驅動軸，它具有一個有螺旋斜角齒的小齒輪與飛輪上相類似的齒相嚙合。電機的重量在手柄後部同工具的殼體及其組件趨向平衡，所以整個工具有平衡感。
一個安裝在殼體中的鼓形物，它包括一個第一圓周表面，被固定在鼓形物上的第一驅動纜繩，以便當鼓轉動時該驅動纜繩纏繞在鼓的表面。一個圓錐型離合器用來有選擇地和間歇地實現飛輪與鼓的相互接觸，以便給予鼓一個能量脈衝使其轉動，並使纜繩纏繞在鼓上。纜繩的另一端附在固定器的驅動器上。當鼓轉動時，纜繩便纏繞到鼓上並拉著驅動器去嚙合和打擊緊固件。存貯在飛輪中的能量就這樣通過鼓、纜繩和緊固件打擊器被傳遞給緊固件。
在鼓形物上還可操作地固定著另一個或稱第二圓周表面，該圓周的直徑最好略小於第一圓周表面。一根第二或稱返回纜繩附在第二圓周表面上並當鼓被飛輪轉動時纏繞在其上。第二返回纜繩的另一端系附在彈簧線圈上，當返回纜繩被纏繞時彈簧被壓縮。在離合器將鼓從飛輪上脫開以後，該彈簧就伸長並使第二返回纜繩拉緊，使鼓反轉並推動第一纜繩和固定器驅動器回到起始位置。由於返回纜繩的纏繞表面具有略小於驅動纜繩表面的直徑，所以當鼓被飛輪和離合器起動時，第二返回纜繩移動的距離不如驅動纜繩多。無論工具的伸長循環動作如何，所述彈簧的路程應控制在以不使彈簧過分受力或疲勞的一個範圍內。
觸發後動聯杆和軸向可伸長的起動器起動離合器使飛輪和鼓瞬間相互接觸。該起動器的結構和操作性能同結合在此作為參考的在先申請的相似。
本發明採用一種相對簡單的並且不昂貴的交/直流電機。一種控制操縱電機從某一速度運轉，該速度依據固定器的長度和形狀以及目標的參數選定。這種控制用於加速電機和使飛輪返回到起始的速度僅有大約500毫秒的很短的延滯，正好處於在希望的使用頻率的時間間隔內。
該通用的交/直流電機的速度是用一個三端雙向可控矽功率開關響應具有鎖相環速度控制的電機控制通過對交流信號的相位角進行開關來完成的。該三端雙向可控矽功率開關接在交流電源和電機之間，並且具有一個觸發輸入用於控制加到電機的交流信號。一個模擬參考電路響應交流信號並且在交流信號的每個過零點起動一個斜波信號。該斜波信號的持續期大約和交流信號過零點之間的時間段相等。
一個速度命令電路提供速度命令信號，該信號具有一個參考頻率，它代表電機的幾種可供選擇的速度之一。一個反饋電路響應電機的轉數並產生一個反饋信號，該信號具有代表電機實際速度的反饋頻率。一個相位探測測器產生一個代表速度命令與反饋信號之間的相位差的差錯信號，它是經過低通濾波器平均過的。一個比較器它在每個斜波信號發生期間產生一個作為探測到的相位差的函數的觸發脈衝，送到三端雙向可控矽功率開關。觸發信號的前沿在斜波信號期間的某個時刻發生，它由參考頻率和反饋頻率的相位差決定。觸發脈衝作為相位差的函數使三端雙向可控矽開關，並且交流信號被施加到電機上去鎖住速度命令和反饋信號的相位，藉此維持實際電機速度和希望的電機速度相等。
本發明的優點是通過採用鎖相環轉速控制電路來檢測轉速指令和反饋信號之間的相位差，能夠精確地控制並調節電機的轉速。本發明的另一個優點是上述轉速指令和反饋信號不容易受到噪音的影響。本發明的再一個優點是對於電機的實際轉速和所需轉速之間的偏差具有很快的相應速度。此外，上述精度和相應速度是通過控制一個三端雙向可控矽電源開關的導通相位角來獲得的。
本發明用於緊固件打擊工具時，還可以包含一個緊固件料箱，它是傾斜曲線型的，並且從打擊器下方的前部位通向後朝著放置在手柄各部的電機延伸，並部分地包圍手柄，幫助工具平衡。
當然，上面描述的動力或驅動單元可以用於各種工具、器械或其他裝置，給它們的可動部件或工作部件一個能量脈衝。這樣的單元包含有電機、電機控制驅動軸、飛輪、鼓、驅動和返回纜繩、離合器觸發器聯杆和離合器起動器。在這裡並不關心平衡和可攜帶性，電機可以安裝成直接驅動飛輪的形式。採用本發明的手持工具還可能包含一個工具殼體，一個從中延伸出來的手柄，一個位於手柄遠端的電機和一根通手柄使電機和殼體內的飛輪相匹配的心軸，同時還有一種用來在最短時間內將電機和飛輪加速到預定速度的控制系統。
這些和其他的目的以及優點從下述對發明的詳細說明和其中的附圖中將變得十分明顯。


圖1是採用本發明的緊固件打擊工具的側面視圖；圖2是圖1中的工具的前向視度，其中部分截面圖是沿圖1中的2-2線截取的，通常是在圖2的3-3線上截取的；圖3是圖1中工具在部分截面下的放大側視圖，截面是在圖2中3A-3A線上截取的圖3A是圖1中工具另一側的放大截面圖；圖4是沿圖1中4-4線截取的截面圖，表示了工具在未起動條件下的情況，圖4A是象圖4一樣，沿著圖1中4A-4A線截取的截面圖，表示工具在離合器剛嚙合的狀況；圖5是沿圖4的5-5線截取的截面圖；圖5A是沿圖4A的5A-5A線截取的截面圖，說明在離合器嚙合以後的充分起動條件下該工具的狀況；圖6是圖1中工具的飛輪、鼓、離合器、起動器組件和觸發器聯杆的分解圖；圖7是圖1中工具的起動器組件的展開和放大圖；圖8A-8E證明圖1中工具各組件的操作次序，此處，觸發器被首先嚙合，然後帶著工作接觸元件(「WCE」)與目標接觸並使工具轉動。
圖9A-9C說明在WCE首先被嚙合，然後觸發器被嚙合使工具轉動時，圖1中工具各組件的操作次序圖10是本發明的電機控制的示意方塊圖；圖11是電機控制的線路圖，更詳細地說明了圖10所示的電機控制系統各組件的連接。
現在轉向附圖，圖中以緊固器打擊工具10的形式說明了發明的最佳實施例，圖5A中，緊固驅動工具10用於將釘子「N」之類緊固件打入2×4S的結構件「W」中。這將被理解為本發明的最佳實施例包括一種驅動單元，它能夠用於工作元件或部件必須經過一種衝擊，例如工具10的驅動器的衝擊才能得到動力的各種工具或器械。
工具10包含一個外殼件11，一個手柄12和一個料箱15，其中手柄12具有一個朝前的端部13和一個朝後的端部14。料箱15在手柄12的後端14並通過託架19在工具外殼體11的朝前端17上安裝。託架16起支腳作用，當放置在水平表面上時，支承工具保持豎直的位置。
圖2中表示了料箱15的細節。料箱從前到後是曲線形的並且還是傾斜的。料箱的前端藉助託架19同工具的突出片18相互連接。通過這種相互連接，料箱可以將緊固件一個接著一個傳送到在突出片區域的某個位置或打擊點，由此當工具循環或運轉時，可以將緊固件打入。緊固件被從料箱逐一地傳送到打擊器的端部的打擊點打入目標。
料箱的曲線形狀是圍繞著手柄12的左側朝外延伸的。所以手柄仍然能由使用者用右手或左手來抓緊。
回到圖1，電機「M」位於手柄12的後部14並且用適當的導線，例如由20表示的導線連接到電源上用來開動電機。一個速度顯示器和一個指形輪或其他電機速度選擇器位於外殼11的由數字21指明的通常區域上，以便工具的使用者能夠根據要打入緊固件的長度和形狀以及要打入緊固件的目標的參數選擇預定的速度。
當然，料箱15是由彈簧偏置壓緊的，以使能頂著釘子或釘書機一類緊固件一個接一個順序進入突擊片18的位置，被工具的打擊器打擊。
如這裡說明的和接著將詳細解釋的，該工具由轉動的飛輪供給能量，飛輪未在圖1中顯示，飛輪又由手柄12後部14的電機「M」驅動。為在電機通電轉動時能帶動飛輪旋轉，在電機和飛輪之間有一根將兩者相關連接的驅動軸22。正如將要描述的，驅動軸22經過手柄12從電機「M」朝後部14延伸，並經過手柄的前部13延伸到位於外殼11中的飛輪。
現在轉到圖3，圖中以局部截面形式示出了該工具的某些內部組件。其中包含一個固定在軸承支承驅動軸22端部的小齒輪25。該小齒輪具有螺旋向的斜齒26。小齒輪25應被安裝成使其斜齒26可與安裝在軸31上可轉動的飛輪30的相應的螺旋向斜齒27相嚙合。工具10最好還包含一個機械式觸發器35，它被壓向圖3中箭頭所指的方向以循環起動工具10。當手柄12後部14的電機通電時，持續地驅動驅動軸22和小齒輪25，小齒輪將按如圖3所示的沿順時針方向轉動飛輪30。這樣，電機就直接耦合到飛輪上。
現在轉到圖5和5A，並且部分參見圖4和4A，工具10還包含一個緊固件打擊器40，它被安裝成可在外殼11的前端的一個豎直定位管41中往復運動。細長的打擊器40可以是任何合適的形狀，例如圓杆狀，螺栓狀或者截面同要打擊的緊固件打擊器40也可以是平的並具有矩形的截面，或具有其它任何合適的外形。工具還包含一個用於打擊器40的制動器43和連接盤42(圖2)。打擊器40從其上端所附的連接盤42向下延伸。
打擊纜繩45的上端46系在連接盤42上。該纜繩最好是一種平的帶子，包括塑料或合成材料粘合的多股絞合線。這種纜繩可從奧斯欽(Orschein)公司，莫勃立(Moberly)，密蘇瑞(Missouri)買到。纜繩的下端47系在驅動打擊器的設備上，這將於下面進行說明。
工具外殼11還包含一個放置返回彈簧50的管子49。彈簧50的上端同管子49的端帽51連接，返回纜繩52的上端也系在端帽51上。纜繩52的下端53也與驅動設備相互連接，使設備轉動到預起動的條件，這將在下面說明。
現在先看一下圖6，可以看到其中的軸31上安裝有該工具的許多功能部件。從圖6左手測的飛輪30開始，如圖6所示，有一個圓錐形的離合器部件55，一個鼓式制動器56，一個鼓57，一個內球扳58，一個軸承罩59，一個外球扳60，推力軸承61，一個墊片62，彈簧63和一個棘齒環64。在圖6中所示的這些元件是以分解形式表示的，它們被組裝在軸31上的情況，也許在圖4和4A中最清楚，內、外球扳58和60的細節還可以見圖7。
然後參見圖4，4A，6和7，飛輪30經旋轉向斜齒27被驅動。飛輪具有一個截頭圓錐的表面66(圖4A)用於承接圓錐離合器55，並藉助軸承68安裝在軸67上可以自由地繞軸線31轉動。圓錐離合器包括一個截頭圓錐表面70，並用摩擦離合器材料71塗敷表面。當圓錐離合器55被壓向飛輪30時，摩擦材料71將咬住飛輪的表面66，這樣飛輪就驅動或轉動圓錐離合器。
如圖4和4A中清楚顯示的，內球扳58包含一個管形凸出部73，它具有花鍵槽74(圖6)。該凸出部73同其內球扳58藉助管子75安裝在軸67上並可以繞軸轉動。圓錐離合器55具有多個內花鍵槽76，它同內球扳58的花鍵槽74相嚙合，以便安裝在凸出部73上的圓錐離合器55與其保持不可轉動的關係。圓錐離合器55藉助一個彈性膜片環77保持在凸出部73上。軸67上安裝有一個彈簧79，其一端在管子75和內球扳58上，另一端頂在一個彈性膜片環或保持件80上，以便在沿軸線31的軸方向給圓錐離合器55和內球扳58加上偏置壓力，通過彈簧79使它們離開飛輪30。鼓57包含多個內部花鍵槽81並且被安裝在從內球扳58上延伸的凸出管73的花鍵槽74上，使兩者一起驅動。鼓57還包含一個圓筒形的纜繩接收或纏繞表面82用於接受打擊驅動纜繩45。
內球板58還具有一個凸臺或上擋臺85，它限定了一個圓周或圓筒形表面86，用於接收和纏繞返回纜繩52。該筒形纏繞表面86的直徑和周長小於纏繞表面82的直徑和周長。
從以上說明可知，當圓錐離合器55被飛輪30帶動旋轉時，這一嚙合也將驅動內球扳58和鼓57，由此將纜繩45纏繞到鼓57的纏繞表面82上並將纜繩52纏繞到內球扳58的表面86上。
如圖4和4A以及進一步由圖7所示的，三個球形軸承88駐留在內球扳的口袋89、90和91以及外球扳60的相應的口袋92、93和94中。當然在圖4和4A中由於採用截面圖並且為清楚起見，每一張只表示出一個球。如圖7所示，口袋89、90和91中每一個都有一個相應的尾隨斜坡95、96和97，每個斜坡都是向上傾斜直到接上相應的滾道表面98、99、100。如圖7所示，外球扳60的口袋92-94也有從口袋底部到相應的滾道104、105和106朝上逐漸變細的輔助斜坡101、102和103。內球扳包括一個拱型盾109。外球扳60包含一個凸臺形的突起111，它有三個從其圓周表面115上沿經向凸起的三個擋塊112、113和114。同時，外球扳60還包含多個從扳的外周圍上沿經向凸起的棘齒117。
當內，外球扳58、60的相應的口袋對準時，球軸承88被容納於口袋之中，這時內、外球扳的位置是相對靠得緊的，如圖4所示此時球軸承88被保持在罩扳59中。另一方面，當內、外球扳58和60被相互相對驅動時，如下面將要說明的，球運動的結果將使兩部件分離。
如圖4A所示，當扳58和60被迫分離時，這個動作將既壓縮彈簧63又壓縮在圓錐離合器55一側的彈簧79，驅動圓錐離合器55與飛輪30嚙合，並如下將說明的，實現由飛輪30帶動內球扳58和鼓57轉動的目的。
現在回到圖6看一下，棘齒環64在軸線31上緊鄰著外球扳60。當工具處於圖4所示條件下，外球扳60未進入棘齒環64中，所以不會受到棘齒環的影響。在此位置，酸模彈簧63使外球扳60和棘齒環64在軸向保持相分開的狀態。然而當球軸承88迫使內、外球扳58、60分離時，外球扳60將沿軸向朝前運動並進入棘齒環64中，外球扳60的棘齒117將與棘齒環64的內部棘齒相嚙合，這樣在選定的部分操作程序期間，將阻止外球扳60轉動。還是參見圖6、圖4和4A，如下面將說明的，一個止動部件120是同鼓57相互聯接的，並用來與鼓式制動器56相互作用。
鼓式制動器56最好包含一個安裝在託架124上的彈性體的減震件123。託架124適宜陷入工具外殼體11離開方管41的一側的前部結構的一部分中並支承於此，以便將鼓式制動器固定在例如圖5所示的位置上。
圖5表示了未起動條件下工具的各種部件的情況，在此位置，鼓57未發生轉動，纜繩45從鼓開始沿著方管41朝上延伸直到連接盤42，在此該纜繩被系在打擊器40上。同時，纜繩的下端延伸入鼓體中的一條合適的槽或缺口並固定在哪裡，例如通過將纜繩的一個增大的端頭卡入鼓體的槽形缺口中，然後將纜繩沿著方管41中的打擊器的側面朝上位緊。與此同時，彈簧50被充分鬆開，返回纜繩52未纏繞在內球扳的表面86上。當工具被起動打擊緊固件時，例如象圖5A中所表示的，圓錐離合器和聯帶的鼓57按順時針方向轉動，如圖5A所示。這樣驅動纜繩45纏繞到鼓57的纏繞表面82上，並以極快的加速度拉著該纜繩向下運動。因為該纜繩的上端是系在打擊器40上的，所以纜繩拉著打擊器快速向下，這時如圖5A指出的，這些能量被用於打擊緊固件。同時，內球扳58的表面86也被轉動並使返回纜繩52纏繞在上面。這樣，彈簧50就被壓緊，當打擊周期一結束，彈簧50拉著返回纜繩52反彈伸長。這就使內球扳和鼓57產生逆時針轉動，使鼓返回到開始的預起動狀態並使打擊器40升起。通過鼓57的這一彈簧的推動和纜繩45在朝上方向的放鬆，推動打擊器40朝上升起。纜繩45和鼓57最好如圖5A中顯示的那樣裝在三個滾子或球軸承126上。這樣，在返回彈簧50的作用下，鼓57就迴轉並使打擊器返回到其未起動的狀況，準備下一個循環。
如圖3、5和5A所示，突出片18包含一個往復運動的工作接觸元件128。如圖5所示它在彈簧129的推動下朝下運動。在圖5A中，工具處於起動狀態，這意味著工作接觸部件128已給同一個工作或目標撞擊，並已使工作接觸部件128逆著彈簧偏置力朝上運動，使彈簧129壓縮。
如圖3和3A所示，本發明包含一個防倒棘爪130，安裝在軸131上。如圖3所示，防倒棘爪130同外球扳60上的棘齒117相咬合，維持外球扳60不向相反方向，或順時針方向轉動。防倒棘爪130是由彈簧片132頂著同棘齒117相咬合的。如圖3所示，棘爪130允許外球扳60作逆時針轉動，如圖所示這是藉助棘爪本身的傾角和棘齒117的傾角配合實現的。在軸136上安裝有另一個功能棘爪135，它是通過棘爪上一個比軸136大的長形孔137安裝的，以便使棘爪不但能繞軸136轉動，而且能在長形孔137的範圍內相對軸作經向移動。如圖3A中看到的棘爪135是藉助彈簧138加有逆時針的偏置壓力的。棘爪135被安裝在軸136上，軸136受到固定在工具10上的託架139的支承。
為了使工具起動和循環工作，工具10利用了一個機械操縱的觸發器和輔助的聯杆。這個聯杆的各部分遍及許多附圖，然而，首先可參見圖3，它說明了一個觸發器連杆或曲槓桿145，它同銷子安裝在軸146上並用彈簧147加有逆時針的偏置壓力。當觸發器35從圖3所示的虛線位置向上移動到實線位置時，其前端35A同曲槓桿145接觸推動它作順時針轉動。聯杆進一步還包含第一連杆148和第二連杆149。連杆148用樞軸150可轉動地安裝在方管41上，其另一端包含有一條槽孔151，槽孔中有一銷軸152，銷軸安裝在曲槓桿145上。第二連杆149用樞軸153可轉動的安裝在第一連杆上。連杆149的一端有一樞軸157上面可轉動地安裝有一個起動棘爪156。彈簧158，如圖3所示，圍繞樞軸157對起動棘爪156加有逆時針方向的偏置壓力。
工作接觸部件連杆161也安裝在方管41上用來控制擋塊棘爪135。工作接觸部件連杆161有一個斜坡表面162用來與銷軸163協調嚙合。當工作接觸部件連杆161上開時，斜面162同銷軸163嚙合並使工作接觸部件連杆161繞樞軸右轉，如圖3中所示，並離開擋塊棘爪135的的尾端166。當連杆161運動時，與擋塊棘爪135的突出140嚙合的彈簧138將起作用，如圖3A所示使棘爪135逆時針轉動從而與擋塊112、113或114中之一相嚙合。
本發明的最佳實施例的工具在打擊構築緊固件方面是十分有用的，至少在將2寸到大約4寸長的緊固件完全打入木頭方面是這樣。已經證明，將一個典型的3—寸長的構築緊固件，例如一枚釘子相對快速地打入諸如松木或雲杉需要大約50馬力的打擊力。因此，飛輪30應有這樣的質量和重量配置，即轉速在大約7000轉/分到15000轉/分的範圍內，才能將這樣的緊固件打入這樣的目標。根據這樣的考慮，本發明中的飛輪30重量大約0.87磅，對軸線31的慣性力矩大約為4.016×10·4ft·-1bs.sec2。當然，不同的飛輪形狀、重量、重力配置和速度能用來滿足不同的應用。
在此最佳實施例的應用中，當3—寸長的釘子被打入木頭時，飛輪的速度將從選定的大約7000-15000轉/分的範圍下降到大約4000-1000轉/分的範圍。但起始設置的希望的大約7000-15000轉/分的速度，將在大約500毫秒內重新獲得。
現在轉到圖8A到8E，它們描述了工具的操作過程。在這一特殊程序中，工具被操作到「底火」狀態，換言之，觸發器將被充分壓縮，但工具將不點火起動，直到在該程序末端，工作接觸部件被壓到目標為止。
在圖8A中，觸發器35未被起動，安全裝置128也未向目標撞擊。因此，安全裝置128被伸出，聯杆處於休止狀態，通常如圖8A所示。防倒棘爪130處於維持外球扳60不向順時針方向轉動的位置。起動器棘爪156不在與外球板60的棘齒相嚙合的位置。
轉到圖8B，觸發器35已經運動到其中心線或中間位置，此時它已與觸發器曲槓桿145嚙合。觸發器曲槓桿145被順時針地稍微轉動了一點，並使銷軸152向下運動，帶著連杆148朝下繞樞軸150逆時針運動。這樣又帶著安裝連杆149的樞軸153朝下運動，如圖8B所示。此時安全裝置128仍然未同目標接觸，其連杆161如圖所示仍留在休止狀態。
在轉圖8C，觸發器已經被充分壓縮，但安全裝置128仍未與目標接觸。此時，起動器棘爪156已經運動到與外球扳60上的一個棘齒117相嚙合的位置。這一運動帶動軸銷152，以及樞軸153進一步向下運動，這樣使起動器棘爪156運動到與棘齒117中的一個相嚙合。安全裝置連杆161仍在休止狀態。
現在轉到圖8D，觸發器35保留在充分嚙合狀態，安全裝置128已經同目標例如木塊「W」相接觸，使附在工作接觸部件128上的凸塊169朝上運動，同連杆149的端部170嚙合。這是藉助朝向目標「W」的方向，推動工具而發生的。然而，此時連杆149尚未運動。
現在再轉向圖8E，工具10進一步壓向木塊W，安全裝置128被向上壓入工具外殼，這樣，凸塊169向上運動，推動連杆149的嚙合端170並使該連杆繞樞軸153轉動。這一轉動使樞軸157朝下運動，藉此拉著棘爪156向下並使外球扳60沿圖8E所示的逆時針方向轉動大約37度。同時，安全裝置連杆161，由於在結構上同安全裝置128關聯，所以也被帶著朝上運動，並且迎著在工具10前部的彈簧173的作用方向繞樞軸轉動。與此同時，這一朝上的運動將擋塊棘爪135的尾端166抬起，使其沿逆時針方向轉動，因而脫開外球扳60的一個相應的擋塊112、113或114如圖8E所示。為更詳細說明，可返回參見圖3，用虛線表示的擋塊113是同擋塊棘爪135相嚙合。該棘爪現在的運動，如圖8E所示，將脫開這一擋塊並允許外球扳60轉動。安全裝置128及其連杆161的運動，通過圖中所示的聯杆是同步的，以便在起動棘爪156操作拉動外球扳60逆時針轉動時，擋塊棘爪135能被移動脫開外球扳60棘爪135轉動後從擋塊上脫開並且成直線的抬起，停止在擋塊的上方，這一動作是由長形孔137提供的。在這一位置，它不可能阻止外球扳60的轉運。
觸發器整個拉動的動作和安全裝置128整個撞擊的動作，起到了使外球扳60沿如圖8A到8E所示的逆時針方向和如圖7和圖8E中的箭頭175所示方向轉動大約37度的作用。
現在回過來參見圖4和4A，上面的操作程序發生後將使起動機械、圓錐離合器和飛輪從圖4所示的狀態變化到圖4A所示的狀態，這說明了正當實際打擊或循環開始時的設備的狀態，具體來說，外球扳60的轉動，舉例來說將帶動斜坡101逆時針轉動，這推動球軸承在軸向朝飛輪運動。因為球是被內球扳鎖住的，所以外球扳60的斜坡101和內球扳58的口袋89和斜坡95之間的距離的減少，導致外球扳向軸向離開飛輪方向移動，同時使內球扳58對抗彈簧79向內偏置，朝飛輪移動。隨著外球扳60進一步的轉動，球軸承迫使兩個球扳58和60進一步分離，彈簧63被壓縮，最後圓錐離合器55被推動與飛輪30相接觸，旋轉的飛輪立即抓住圓錐離合器55並給予它一個順時針方向的轉動能量脈衝，如圖8A-8E中所見的狀況。這使內球扳58和鼓57都朝順時針方向快速轉動，並將驅動纜繩45卷到鼓的表面82上。當纜繩被快速纏卷時，它被張緊並朝下拉動打擊器40，使其帶著足夠的能量和力度將釘子打入單層或多層木頭「W」中(圖5A)。顯然，這一轉動發生時，纜繩52將被纏繞到鼓57的另一表面86上。
在鼓到達如圖5A所示的全部打擊位置以前，內球扳58轉動了一個足夠長的距離，大約繞軸線31為203度時，以致它的口袋89、90和91與外球扳60的相應口袋對齊。在球軸承進入口袋的情況下，內球扳就可沿軸線31的軸向自由移動，由於彈簧79的驅動，它將離開飛輪30。當球軸承落入這些口袋中時，酸模彈簧63也將鬆開。通過彈簧79的作用，圓錐離合器55沿軸向移動離開飛輪30，也即圓錐離合器55和鼓57同飛輪及其代表的能量脫離接觸。因此，在圓錐離合器和飛輪咬合的整個時間片斷內，從飛輪通過圓錐離合器和鼓、打擊器以及因而到達釘子，完成了一個能量脈衝的轉移過程。在鼓57和飛輪剛脫離接觸，鼓上伸展出的一個凸塊120同鼓制動器56的彈性部件123嚙合，使鼓在順時針方向停止運動，圖5A中表示了這個情況。
在上述情況發生的同時，鼓57和內球扳58及其圓筒形表面86轉過同樣的角度範圍。因為返回纜繩52的一個增大的端頭被卡在一條槽中用機械方法裝入表面86中，所以當驅動纜繩45被纏繞在鼓57上時，返回纜繩52同時被纏繞在表面86上，由於纜繩52向下接緊與彈簧50的遠端相應的端帽51，所以將壓縮彈簧或使彈簧50承受載荷。當然，彈簧和纜繩的連接也可以安排成隨著鼓纏繞，彈簧被拉伸或承載，其他合適的不同結構的彈簧也可以採用，但要求彈簧的軌跡簡單。
一旦飛輪30和圓錐離合器55之間的嚙合脫開，彈簧50對鼓57進行偏置的動作即可運行，現在，在圖5A的例子中是使鼓由一個逆時針的位置返回到圖5所示的位置。這個逆時針的運動使驅動纜繩45延展和鬆開，並推著打擊器40朝上回到它的未起動的狀態，並還可能出現該狀態下的其它所有情況，例如，觸發器仍保持被壓縮狀態，同時如圖5A所示，安全裝置被縮入到工具10中。在此過程中，內球扳58和外球扳60相互之間大約移動了240度。這個動作同被結合在此作為參考材料的申請人的在先申請中描述的情況是相象的。當然，在相應球扳中的口袋和斜坡的運動和相應球都是大體相似的，所以能提供一種平衡的起動。
圖9A-9C說明了在首先使工作接觸部件充分接解，然後再拉動觸發器的情況下工具的起動過程。例如，在圖9A中，工作接觸部件128已經同木頭表面例如「W」接觸。這樣將凸塊169向上抬起與連杆149的末端170嚙合並向上升高。然而，由於觸發器35尚未處於嚙合狀態，觸發器曲槓桿145並未轉動，連杆148(在圖9A中看不到)未被降低。這使連杆149留在一個朝上的位置，這樣起動器棘爪156也不會與外球扳60上的任何棘齒117嚙合。然而，請注意，工作接觸部件連杆161已被抬起並繞樞軸轉動，藉此將擋塊棘爪135的一端168抬高，這樣該棘爪如圖9A中看到的，在逆時針方向上產生了轉動。正如上面提到的，擋塊棘爪135上的孔137是細長形的。當彈簧138對擋塊棘爪135加偏置壓力時，它使棘爪稍微向左移動，如圖9A中看到的(即如圖3A中看到的向右)，這樣擋塊棘爪135的前端就移動到外球扳60上的輔助擋塊的上方。此後，擋塊棘爪135就處於任何擋塊的頂部，即圖中外球扳60的擋塊下方，當觸發器此後被拉動時，該棘爪對阻止外球扳60逆時針轉動不再發生作用。
在圖9B中，安全裝置128仍保持與木頭表面「W」完全接觸並且觸發器35已經移動到其半途或中心線位置，它使觸發器曲槓桿145發生部分轉動，從而使連杆148繞其樞軸150旋轉，由此使連杆149稍有降低，並使起動器棘爪156同外球扳60的棘齒117嚙合。如圖9C所示，觸發器35朝上繼續運動，進一步使觸發器曲槓桿145轉動，使連杆148進一步繞樞軸150轉動並進一步降低樞軸153和連杆149，這將帶著起動棘爪156朝下。這一操作使外球扳60逆時針轉動(沿箭頭175)，正如上面所提到的，實現以上描述的工具循環的目的。
因此，使工具10循環或起動既可以通過首先推壓觸發器，然後向目標推壓工作接觸部件，又可以通過首先向目標推壓工作接觸部件，然後推壓觸發器。通過使觸發器保持向上，該工具能夠在工作接觸部件的推壓使工具循環或起動的條件下，重複地壓向一個表面。
儘管本發明的最佳實施例是結合一個緊固件打擊工具來說明的，但是由於該設備包含一個驅動或動力單元，因而可以適用於驅動許多工具，無論是手持的或不是手持的，或者在各種不同目的中用於給一個可動部件或可驅動工作部件的能量脈衝。
本發明具有向纏繞鼓57快速傳送能量的優點，離合器能十分快速地與飛輪嚙合來驅動鼓，並且能同樣快速的離開飛輪將能量輸入從鼓上移去，結果只是使鼓轉動大約203度，它藉助纜繩可以操作鼓，使可移動部件或緊固件打擊器40運動。利用這種設備可提供一種相對較輕的手持工具，該工具它能產生足夠的動力去打擊緊固件，例如將能用於構築場合的，3到4寸的釘子打入2×4S的用於典型的住宅房屋建築的木頭中去。
另一個優點是電機位於手柄12的後端部14有助於工具的平衡，因而使該工具易於握住和使用，使用者不易疲勞。
已經發現，從電機向飛輪轉移能量方面螺旋斜齒具有獨特的優點，在動力和速度方面沒有不應有的損失，因而不需要不受人歡迎的較大的電機。
電機控制下面將對本發明的電機控制電路進行說明。
附圖10是一個方框圖，顯示了用於調節交直流兩用電機M轉速的電機控制電路310。電機的一根引線314與120VAC、60Hz的電源316相連接，電機M的另一根引線318與電源開關320相連接，而該電源開關320通過導線324與交流電源316相連接。所述電源開關320包括一個三端雙向可控矽開關元件321，它具有一個觸發輸入端322，用於控制三端雙向可控矽開關元件321的工作。電源開關320通過在其觸發輸入端322上輸入控制三端雙向可控矽開關元件321的導通相位角的一個觸發脈衝來控制引線324提供給電機M的交流信號。
如附圖10所示的電機控制電路310具有一個轉速指令電路326，用於在其輸出端328上產生一個轉速指令信號，該信號具有代表了所需電機M轉速的基準頻率。反饋電路330根據電機的轉動，在其輸出端332上產生一個其頻率正比於電機M實際轉速的反饋信號。相位檢測器334根據所述轉速指令和反饋信號，在輸出端336上產生一個偏差信號，該偏差信號是所述轉速指令和反饋信號之間相位差的函數。一個低通濾波器338與相位檢測器334相連接，在其輸出端340上產生一個平均偏差信號，該信號是所述輸出端336上的偏差信號的函數。模擬基準電路342與電源334相連接，在其輸出端346產生一個模擬基準信號。比較器348根據所述平均偏差信號和模擬基準信號在其輸出端350上產生觸發脈衝，該觸發脈衝是模擬基準信號和平均偏差信號的函數。該脈衝控制三端雙向可控矽開關元件321的相位角切換，而三端雙向可控矽開關元件321控制通過輸引線324提供給交直流兩用電機M的交流信號，使輸出端332上的反饋信號和輸出端328上的轉速指令信號相互鎖相。
轉速指令電路326具有一個選擇開關352，它與電壓源354相連接。選擇開關352具有多個可選擇的輸入狀態，它們對應於可供選擇的所需電機轉速。所需的電機轉速是需要由電動工具所產生的力的函數。對於本實施例的電動緊固器，例如一個電動釘錘來說，選擇開關352是根據釘子的大小或者需要將釘子打入到預定目標中的深度來標定的。一般說來，動力設定可以通過表格來表示，在表格中給出了對應於一定緊固長度、深度和目標的適當設定值。選擇開關352具有若干輸出端356，其數目與該開關的可選擇狀態數目相同。一個基準頻率發生器358與選擇開關352相連接，在其輸出端328上產生一個轉速指令信號，其頻率代表用選擇開關352工作所選擇確定的所需電機轉速。例如，根據選擇開關352的10個可選擇狀態，基準頻率發聲器358相應地提供10個基準頻率，其頻率可以在例如4KHz-8KHz的範圍內。顯示器355根據選擇開關352的狀態為使用者提供所選輸入值的指示。
反饋電路330包括一個反饋變送器360，它在附圖10中用虛線362表示，它根據電機M的旋轉來產生反饋信號。該反饋變送器360可以是任何能夠響應於電機旋轉的裝置，它提供隨電機M實際轉速的變化而變化的輸出信號。一個零點跨越檢測器364與反饋變送器360相連接，其輸出端332提供一個反饋信號，該反饋信號的頻率與電機M的角轉速成正比。
電源344與交流電源316相連接，其輸出端366提供一個直流電平，用於為電機控制電路310中的其他部分提供電能。模擬基準電路342包括一個零點跨越檢測器368，當來自交流電源316的交流信號跨越零點時在其輸出端370上產生一個零點跨越同步信號。模擬基準電路342還包括一個鋸齒波發生器372，其輸出端346上產生模擬基準信號。所述模擬基準信號是一系列的鋸齒波，每當交流信號跨越零點時就開始產生一個這樣的鋸齒波，當交流信號再一次跨越零點時停止前一個鋸齒波的產生，同始開始產生下一個鋸齒波。這樣，採用其頻率為60Hz的交流信號，就會產生頻率為120Hz的鋸齒波信號。該鋸齒波信號是一個隨時間變化的模擬基準信號，當它開始產生時具有最小的幅值，然後其幅值隨著時間以線性關係增大，直到該鋸齒波信號終止為止。比較器348對所述鋸齒波信號和來自低通濾波器338的平均偏差信號進行比較，在平均偏差信號輻值超過鋸齒波信號幅值時在輸出端350上產生觸發脈衝信號。
電源開關320與驅動器374相連接，該驅動器將引線350上的觸發脈衝送到三端雙向可控矽電源開關321的輸入端322，因而在引線350上的觸發脈衝使三端雙向可控矽電源開關321切換到導通狀態，亦即「ON」狀態，其導通相位角由引線346上的鋸齒波信號和引線340上的平均偏差信號的相交點來確定。根據三端雙向可控矽電源開關321的導通相位角，將交流電送到電機M，當來自交流電源316的交流信號到達下一個零跨越點時，就使三端雙向可控矽電源開關321截止。這樣所獲得的效果是將引線332上的反饋信號與引線328上的轉速指令信號相互鎖相，其結果是使電機M的實際轉速等於由選擇開關352選定的所需轉速。通過採用相位作為控制變量，就能夠準確地將電機的轉速控制在所需轉速上。
附圖11是詳細的電路圖，顯示了用於調節電機M轉速的電機轉速控制電路310中的分離元件，例如該電機可以是功率大約為0.625馬力的電刷型串勵交直流兩用電機。交流電源316的火線380與一個由人工操縱的ON/OFF開關382相連接，該開關所在的電路讓電流流過電機的一組定子繞組384、通過電刷388、390流過電機的轉子繞組386、電機的另一組定子繞組392、以及三端雙向可控矽電源開關321的輸出端394。交流電源316的零線396與可控矽開關元件321的輸入端398相連接，該可控矽開關元件321可以採用MOTOROLA公司銷售的產品，其型號是MAC15-6。
直流電源344分別與交流電源316的火線380和零線396相連接，用於在其輸出端400上提供5V的直流電壓、在輸出端402上提供12V的直流電壓。所述電壓由二極體D1和電阻R1對交流信號進行半波整流後提供。輸出端400和402所提供的直流電壓應具有足夠的平衡性，同時不包含噪音，使之能夠用作電機控制電路310中的集成電路和元件的直流電源。
交流電源316的火線和零線380、396也和零點跨越檢測器368相連接，該檢測器包括三極體Q4、Q5(可以採用MOTOROLA公司出售的產品，其產品型號是2N3904)和電組R10、R11、R12、R13。當交流信號以由負到正的方向經過零點時，流過電阻R12和R13的電流為零，三極體Q4截止。此時，三極體Q4的集電極404的電平接近於+5V的電源電壓VCC(「VDC」)。當交流信號朝正的方向增大時，流過電阻R12和R13的電流會很快地使給三極體Q4提供偏壓導通，從而使三極體Q4的集電極電平接近於零電平。這樣，對於每一個由負到正的零跨越點，都會在三極體Q4的集電極404上產生一個具有較短脈衝寬度的第一零點跨越脈衝。
當交流信號以由正到負的方向通過下一個零跨越點時，三極體Q4再一次截止，其集電極404的電平上升到接近+5VDC。當交流電壓信號成為負值時，三極體Q5導通，流過電阻R10、R11、R12、R13的電源很快使三極體Q4截止，從而使三極體Q4的集電極恢復到接近地電壓。這樣，對於交流信號的每一個由正到負的零跨越零點，都會在三極體Q4的集電極404上產生一個具有較短脈衝寬度的第二零點跨越脈衝。
模擬基準電路342中的零點跨越檢測器368驅動一個鋸齒波發生器372，該發生器包括三極體Q3、電容C3和電阻R9。對應於每一個零跨越點的零點跨越脈衝的正向邊沿，亦即上升邊沿，都將使三極體Q3導通，從而為電容C3提供了一個由三極體Q3構成的放電迴路。每一個零點跨越脈衝的負向邊沿，亦即其下降邊沿，都將使三極體Q3截止，使電容C3通過電阻R9緩慢地充電。電容C3的逐漸充電過程提供了一個近似於線性增大的電平，從而產生一個近似於鋸齒波的信號。當到達下一個零點跨越脈衝的上升邊沿時，所述鋸齒波信號終止，回到其大至為0VDE的初始電平。這樣，對於頻率為60Hz的交流信號來說，將產生頻率為120Hz的零點跨越脈衝。零點跨越脈衝串將觸發一連串頻率為120Hz的鋸齒波信號。所述鋸齒波信號是與交流電源信號的零點跨越同步的模擬基準信號，在交流電源信號的每半個周期中都會產生一個這樣的鋸齒波信號。在交流電源信號的每半個周期內的每一時間點上，該鋮齒波信號的電平都是唯一的，時間點不同，鋸齒波的電平也就不同。
在轉速指令電路326中，轉速選擇開關352包括一個轉速上升按鈕406和一個轉速下降按鈕408，它們為數字電壓表410提供了輸入，作為例子，該電壓表可以採用美國DALLAS SEMICONDUCTOR公司出售的產品，其產品型號為DS1669。該數字電壓表410的輸出端412與一個運算放大器U4相連接。該運算放大器可以採用Motorola公司出售的產品，其產品型號為TLC272。根據操縱按鈕406、408所產生的轉速上升和轉速下降指令，數字電壓表410的輸出端412具有64個不同的狀態。運算放大器U4與基準頻率發生器358相連接該發生器具有一個電壓控制的振蕩器U5，它可以採用MOTOROLA公司出售的產品，其型號為MC54/74HC4046A。所述運算放大器U4用作受電壓控制的振蕩器U5的偏壓發生器，運算放大器U4的輸出端414通過電阻R17與其輸入端416相連接。在輸出端412上的電平產生變化時，為了保持運算放大器U4的平衡狀態，使來自受電壓控制的振蕩器U5的電流流入運算放大器U4的輸入端416，從而在電阻R16上產生一個電壓降，該電壓降是數字電壓表410輸出端412的輸出信號的函數。由電壓控制的電壓表U5在其輸出端328上產生一個基準頻率，該頻率唯一地對應於按鈕406、408產生的轉速指令。工具提供的所需動力取決於其飛輪所具有的功能，動能的數值為1/2(1)(W2)，其中，1是飛輪的轉動慣量，W是飛輪轉動的角轉速。因此，所述基準頻率被標定成能夠表示所需的電機轉速，這一轉速將使飛輪具有動能，從而施加對應於所需輸入開關設定值的力。
反饋變送器360由一個接近傳感器418構成，它可以採用美國PED L10N CONTROLS OF YORK公司出售的產品，其產品型號是MP25TAOO。該傳感器以磁的方式與電機M相偶合，用於檢測電機M的輸出軸每分鐘的轉數。接近傳感器418在輸出端422、424上提供正弦波輸出，它們在相位上相差180度，其頻率和電機轉子386的角轉速或者每分鐘的轉數成正比。由傳感器418產生的反饋信號通過一個直流偏置網絡426，它包括電阻R23、R24和電容C7，它的輸出送到零點跨越檢測器364的輸入端。該零點跨越檢測器由一個電壓比較器U6構成，可以採用Motorola出售的產品，其產品型號為TLC372。經過濾波的反饋信號送到電壓比較器U6的輸入端，以便消除其模噪音。這樣，零點跨越檢測器364在其輸出端332上提供了相對穩定和無噪音的反饋信號，該信號的頻率正比於電機的實際轉速。
相位探測器334包括一個三狀態相位比較器，它可以採用MOTOROLA公司出售的產品，其產品型號是MC54/74HC4046A。該比較器根據轉速指令信號和反饋頻率信號，在輸出端332上產生一個偏差信號，該信號的佔空比是轉速指令基準頻率和反饋頻率之間相位差的函數。低通濾波器338包括一個二極體切換網絡430、電阻R8、R14、R15和電容C2。該低通濾波器根據相位檢測器334輸出端336上的偏差信號，在其輸出端340上提供一個直流電平，該電平的大小正比於所述偏差信號的佔空比。比較器348包括一個與比較器U6相同的電壓比較器U2，它根據鋸齒波發生器372的輸出端346上的鋸齒波信號和低通濾波器338的輸出端340上的平均偏差信號，在其輸出端350上產生一個觸發脈衝，用於根據與鋸齒波相交的平均偏差信號將可控矽開關元件321切換到導通的狀態。
當基準頻率信號和反饋頻率信號的相位相同時，具有三個狀態的相位比較器428產生一個穩定的三狀態輸出。當電機的實際轉速低於所需的電機轉速時，基準頻率信號的相位超前於反饋頻率信號的相位，相位比較器428將根據相位超前的基準頻率的上升邊沿產生一個負向的信號。相位比較器428根據相位落後的反饋頻率的下一個上升的邊沿，使所述負向信號回到所述穩定的三狀態輸出。類似地，當電機的實際轉速高於所需的轉速時，反饋頻率的相位超前於基準頻率的相位，相位比較器428根據相位超前的反饋頻率的上升邊沿，產生一個負向信號。相位比較器428根據相位落後的基準頻率的F一個上升邊沿使該負向信號回到穩定的三狀態輸出。這樣，三狀態相位比較器428就能夠根據反饋頻率信號的相位是超前還是落後於轉速指令基準頻率信號的相位，產生出一系列負向脈衝型的信號或者正向脈衝型的信號。所述脈衝型信號的佔空比正比於反饋頻率信號和基準頻率信號之間的相移或相位差。
假如電機M的實際轉速等於由轉速指令信號所表示的所需轉速反饋頻率信號的相位就會和基準頻率信號的相位保持一種恆定的關係。相位比較器428處於其穩定的三狀態輸出，切換二極體網絡430處於一種穩定的狀態，在這樣狀態下，二極體沒有被固定地導通或截止。然而，電容C2的充電在電壓比較器U2的一個輸入端上提供了一個電壓，當它與另一電壓比較器的輸入端上的鋸齒波信號相交時，就會在輸出端350上產生觸發脈衝。該觸發脈衝在交流電源信號的每半個周期上使可控矽開關元件321導通，為電機M提供足夠的電流來保持所需的轉速。根據電容C2的充電，電容C2此時可以具有一個由電阻R8、R15和二極體D5構成的洩漏迴路。
假如電機M的轉速減慢了，就會使表示轉速指令的基準頻率信號的相位超前於反饋頻率信號的相位。這樣，根據基準頻率信號的上升邊沿，所述三狀態相位比較器428就會在輸出端336上產生一個負向信號。該輸出信號使二極體D2導通，從而使電流流過電阻R14，這又使二極體D3、D4截止、二極體D5導通。二極體橋路430的這一狀態為電容C2提供了一個由電阻R8和R15組成的放電迴路，使電容C2相對快速地放電，從而減小輸出端340(亦即電壓比較器U2的輸入端)上的電壓輻值。
這樣，當電機的實際轉速減小到低於所需轉速時，三狀態相位比較器428就會提供一個偏差信號，該信號是一系列負向脈衝型的信號，它減小了由低通濾波器338所產生的平均偏差信號的輻值。所述減小了的平均偏差信號在交流信號的半個周期內的較前時間點上與鋸齒波信號相交，因此，電壓比較器U2在上述的較前時間點給三端雙向可控矽開關提供觸發脈衝。三端雙向可控矽電源開關321就會為電機提供更大的電流，從而增大電機的實際轉速，使之達到所需的電機轉速。反饋頻率信號的下一個上升或正向邊沿將使三狀態相位比較器428回到其穩定三狀態輸出。當基準頻率信號的相位超前於反饋頻率信號時，對於基準和反饋頻率信號隨後的正向邊沿將重複所述過程。
在另一種情況下，亦即當電機的實際轉速大於所須的轉速指令時，反饋頻率信號在相位上超前於基準頻率信號。這樣，根據反饋頻率信號的正向上升邊沿，三狀態相位比較器428的輸出端336上將產生正向上升的信號，它使二極體D2、D5截止，使二極體D3、D4導通。此時，電容C2能夠使電流流過電阻R14，從而增大低通濾波器338的輸出端340上的電壓幅值。根據基準頻率的下一上升邊沿，三狀態相位比較器使其輸出336回到三狀態穩定輸出狀態從而使二極體電橋回到穩定狀態，停止通過電阻R14對電容C2進行充電。當反饋頻率信號超前於基準頻率信號時，對於每一個反饋頻率的上升邊沿都將重複所述過程。這樣，當電機的實際轉速超過所需的轉速時，三狀態相位比較器428就會產生一系列正向上升脈衝型的信號，每一個這樣的脈衝都能夠使電容C2充電，從而增大了來自低通濾波器338的平均偏差信號的電壓幅值。當平均偏差信號的電壓幅值增大時，該信號就會在產生鋸齒波的時間期間中的較遲時間點上與鋸齒波相交。因此電壓比較器U2就會在相對於鋸齒波信號的較遲時間點上產生觸發脈衝。該觸發脈衝將使驅動器374中的MOSFET Q2在交流信號半個周期中的較遲的時間點上導通，從而減小流過電機的電流，因而也加降低了電機的轉速。所述MOSFET Q2可以採用MOTOROLA公司出售的產品，其產品型號為2N7000。
適當選取低通濾波器338中電阻R14和R15的阻值，使得當電機的轉速下降時，電容C2的放電迴路能夠讓該電容迅速地放電，因而快速地移動可控矽開關元件321的導通點，使流過電機的電流迅速增大。相反，當電機的轉速高於所需的轉速時，系統中的物理力，例如摩擦力和其他損失等等，將會自然地降低電機的轉速。因此，選取電路元件參數值以使得在電機轉速過快時對電容C2的充電速度要慢得多，因為所存在的上述物理力有助於減小電機的轉速。也可以認為所述低通濾波器構成了一個數字/模擬轉換器。該濾波器響應於來自相位比較器428的數位訊號，該信號的佔空比代表了偏差頻率信號和基準頻率信號之間的相位差，而濾波器所產生的直流電壓信號代表了該相位差的平均值。
在使用時，操縱者採用開關382為電機M供電，採用開關406和408來設定輸入指令，該指令代表了電動緊固器所需的輸出動力。如果採用可見或其他指示器來顯示操縱者的輸入指令，可以用電機的轉速、為工具所施加的力、由工具所驅動的緊固件的大小等作為單位來予以標定。例如，如果是用電動緊固器作為電動釘錘，用於將釘子打入2.0-3.5英寸，可以在每分鐘7000-15000轉的範圍內選擇電機的轉速。在缺少可見指示器時，可以通過若干試驗性的緊固件來確定所需的力。一旦確定了所需的輸入，就將保持該設定值，即使停止和重新啟動工具也依然如此。當採用工具來驅動一個緊固件時，就會釋放出一個動能脈衝，使飛輪30和電機M的轉速降低。相位探測器334將產生出一個較大的偏差信號，該信號是一個負向信號，具有較長的脈衝寬度，因而使可控矽開關元件321為電機提供最大的電流。電容C2迅速地放電，可控矽開關元件321的導通點迅速地移動，從而增大為電機所提供的電流。電機控制電路310能夠在大約500毫秒的時間內使電機加速，使電機和飛輪達到可選用的最大轉速。當電機的轉速增大，使得所需轉速和實際轉速之間的差值減小時，可控矽開關元件321改變其導通點，從而減小為電機提供的平均電流。當實際轉速和所需轉速相等時，基準頻率信號和反饋頻率信號被鎖相，使基準頻率信號的相位稍微落後於反饋頻率信號的相位並保持這樣的關係。電機控制電路310敏感於基準頻率和反饋頻率之間的相位差，該相位差小於基準頻率或反饋頻率的一個周期。這樣，通過在相位差的時域中控制電機的轉速，電機控制電路310就能夠調節電機的轉速，使之保持在所選轉速的大約±1％的範圍之內。
儘管上面結合實施例對本發明進行了詳細的說明，但是這並不意味著本發明要受到這種詳細說明的限制。本技術領域裡的普通技術人員能夠在此基礎上作出進一步的改進。例如，本發明提供了一種性能優良的緊固件電動驅動工具，該工具能夠以所需的頻率驅動釘子和卡釘。即使是電機安裝手柄之中，並通過驅動軸將旋轉力傳遞給飛輪，本發明的工具也能夠有效地採用一個簡單的飛輪和一個對普通電機進行控制的電路來提供所需的飛輪轉速和轉速控制。該工具是通過安裝在手柄端部的電機來平衡的。改進的起動連杆方便了對工具的正常操縱。本發明也提供了一個驅動或動力單元，它能夠適用於具有一個驅動工作部件的各種不同的工具、器具和裝置。
此外，電源344可以通過對交流電流進行半波整流或全波整流來實現。在兩種情況下，零點跨越檢測器368都響應於所有的零跨越點，提供其頻率為120Hz的零點跨越脈衝。轉速指令電路326中的選擇開關352可以用不同的方式來實現。開關352可以是一個具有4個輸出端的開關，其輸出可以被解碼成為10種選擇。所述4個開關輸出可以和一個二進位/十進位轉換器相連接，為採用電壓控制的振蕩器提供10個電平。反饋變送器360可以是任何能夠響應於電機轉速、並提供其頻率正比於電機轉速的信號的裝置。比較器348和低通濾波器338可以用不同的裝置來實現，只要能夠為電源開關320提供觸發脈衝，該脈衝具有對應於鋸齒波信號的前沿，而鋸齒波是轉速指令信號和反饋信號之間相位差的函數即可。
本發明的電機控制電路是結合對交直流兩用電機的轉速進行控制來予以說明的，該電機用於驅動一個安裝在手持工具中的飛輪。本發明的電機控制電路所具有的一些突出優點不僅適合於所述用途，同樣也適合於其他的用途。本發明的電機控制電路可以在許多場合下用於控制任何交直流兩用電機的轉速。
本發明不應限於所述的詳細說明，其保護範圍應由如下的權利要求來確定。
權利要求
1. 一種用於驅動可動工件的電動工具，包括一個飛輪；一個用於驅動飛輪的電機；間歇地將所述飛輪和可動工件連接起來，用於移動該可動工件的裝置；一個電子控制電路，用於將電機的轉速控制在大約每分鐘7000-15000轉的範圍之內，並能在由於所述連接和所述可動工件移動所造成的轉速下降的500毫秒的時間內恢復所述速度。
2. 一種具有可驅動工件的電動工具，包括一個手柄；一個飛輪；一個電機；一個細長的驅動軸，它可運轉地與所述電機連接以驅動所述飛輪有選擇性地連接所述飛輪和解除該連接的裝置，用於分別驅動和釋放上述工件；所述電機安裝在工具手柄的一端中；所述飛輪安裝在工具手柄的另一端中；所述驅動軸運轉地安裝在位於所述電機和飛輪之間的手柄中。
3. 如權利要求2所述的電動工具，其中所述驅動軸可繞縱向軸轉動，而且所述飛輪能夠圍繞與所述驅動軸線相垂直的另一個軸線旋轉。
4. 如權利要求3所述的電動工具，進一步包括一個安裝在所述驅動軸上的齒杆，用於驅動所述飛輪，該齒杆和飛輪分別具有一個相互嚙合的螺旋傘形齒輪，用於驅動所述飛輪。
5. 如權利要求4所述的電動工具，其中以一個從在大約每分鐘7000-15000轉的範圍之內選定的速度驅動所述電機，當連接所述飛輪以驅動所述工件時，所述轉速將會降低。
6. 如權利要求5所述的電動工具，其中所述飛輪與所述工件分離就以±1％的誤差範圍並在所述轉速下降之後的500毫秒內回復所述選定的轉速。
7. 如權利要求6所述的電動工具，進一步包括一個轉速控制電路，該電路包括一個三端雙向可控矽電源開關；一個轉速指令電路，用於提供一個指令信號，該信號具有代表所需電機轉速的基準頻率；一個反饋電路，它根據電機的旋轉產生一個反饋信號，該信號具有代表電機實際轉速的反饋頻率；一個與所述可控矽電源開關相連接的比較器電路，它根據所述指令信號和反饋信號產生觸發脈衝，該脈衝的產生取決於基準頻率信號和反饋頻率信號之間的相位差，用所述觸發脈衝來控制所述可控矽電源開關，使得提供給電機的交流電源是所述相位差的函數，從而使電機的實際轉速基本上等於電機的所需轉速。
8. 如權利要求2所述的電動工具，進一步包括與電機運轉地相連接的鎖相環轉速控制電路，用於將電機的轉速控制在大約每分鐘7000-15000轉的範圍內，當使飛輪和工件相連接和相脫離的裝置使電機轉速低於所需轉速之後，該控制電路能夠在大約500毫秒的時間內使電機的轉速增加到所需轉速。
9. 如權利要求8所述的電動工具，其中所述的鎖相環轉速控制電路包括一個三端雙向可控矽電源開關；一個轉速指令電路，用於提供一個指令信號，該信號具有代表電機轉速的基準頻率；一個反饋電路，它相應於電機的旋轉產生一個反饋信號，該信號具有代表電機實際轉速的反饋頻率；一個與所述可控矽電源開關相連接的比較器電路，它根據所述指令信號和反饋信號產生觸發脈衝，該脈衝的產生取決於基準頻率信號和反饋頻率信號之間的相位差，用所述觸發脈衝來控制所述三端雙向可控矽電源開關，使得提供給電機的交流電流是所述相位差的函數，從而使電機的實際轉速基本上等於電機的所需轉速。
10. 如權利要求2所述的電動工具，其中所述電機具有一個旋轉曲線，所述驅動軸具有和電機旋轉軸線共軸的旋轉軸線。
11. 如權利要求10所述的電動工具，其中所述飛輪安裝在工具之中，用於圍繞與驅動軸的旋轉軸線相垂直的軸線旋轉。
12. 一種用於驅動可動工件的電動工具，包括一個飛輪；一個和所述飛輪相連接的電機；一個離合器機構，可選擇地使飛輪與可動工件相連接或脫離連接，用於驅動所述可動工件；一個與電機運轉地相連接的鎖相環轉速控制電路，用於將電機的轉速控制在大約每分鐘7000-15000轉的範圍之內，當通過所述離合器機構使飛輪與可動工件相連接或脫離連接，從而使電機的轉速低於所需轉速時，該轉速控制電路能夠在大約500毫秒的時間內使電機的轉速增大到所需的轉速。
13. 如權利要求12所述的電動工具，其中所述鎖相環轉速控制電路包括一個三端雙向可控矽電源開關。
14. 如權利要求13所述的電動工具，其中所述鎖相環轉速控制電路進一步包括一個轉速指令電路，用於提供一個指令信號，該信號具有代表電機轉速的基準頻率；一個反饋電路，它相應於電機的旋轉產生一個反饋信號，該信號具代表電機實際轉速的反饋頻率。
15. 如權利要求14所述的電動工具，其中所述的鎖相環轉速控制電路進一步包括一個與所述可控矽電源開關相連接的比較器電路，它根據所述指令信號和反饋信號產生觸發脈衝，該脈衝的產生取決於基準頻率信號和反饋頻率信號之間的相位差，用所述觸發脈衝來控制所述三端雙向可控矽電源開關，使得提供給電機的交流電流是所述相位差的函數，從而使電機的實際轉速基本上等於電機的所需轉速。
16. 如權利要求15所述的電動工具，其中所述比較器電路包括一個三狀態相位比較器，用於產生一系列脈衝，該脈衝系列包括正向脈衝和負向脈衝，正向脈衝和負向脈衝分別表示了所述轉速指令信號和反饋信號之間的第一種和第二種相位差。
全文摘要
一種電動工具，具有飛輪，用於驅動諸如緊固工具的驅動器之類的工件。一個安裝在工具手柄的後端的電機驅動安裝在工具手柄的前端的飛輪。一個繞線被固定在一個鼓輪和工件上。離合器以可選擇的方式使飛輪與鼓輪相連接，用於卷繞纜線，以便有力地驅動工件。將折回的纜線逆著彈簧偏壓卷繞在驅動器鼓上以致再把鼓卷緊，當離合器使飛輪與鼓分離時鬆開纜線並使工件返回到其在先的狀態。當飛輪與鼓連接時，電機轉速和飛輪轉速減小。
文檔編號B25C5/15GK1115517SQ9510175
公開日1996年1月24日 申請日期1995年1月5日 優先權日1994年1月5日
發明者約翰·P·克拉徹, 達爾博特·E·拉卡斯, 大衛·A·達米克, 埃裡克·D·亨特 申請人:Sen公司