CN110114187B - 用于控制工具的致动器及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于控制工具的致动器、***和方法。一个致动器包括第一马达、第二马达和控制器。第一马达可操作成旋转围绕轴线在第一螺旋方向上延伸的第一螺纹。第二马达可操作成旋转第二螺纹，该第二螺纹与第一螺纹轴向间隔开并且在与第一螺旋方向相反的第二螺旋方向上围绕轴线延伸。控制器与第一马达和第二马达通信。控制器配置成控制第一马达和第二马达的速度和方向，以实现工具的轴向和旋转移动的期望模式。一种方法包括沿第一旋转方向旋转第一螺纹，并同时沿与第一方向相反的第二旋转方向旋转第二螺纹。

Description

用于控制工具的致动器及方法
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2016年9月26日提交的题为"用于控制工具的致动器及方法(ACTUATORS AND METHODS FOR CONTROLLING TOOLS)"的美国专利申请号62/399573的优先权，其内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及致动器，更具体地涉及用于控制诸如切削工具的工具的致动器和方法。
背景技术
切削台用于有效且一致地切削由诸如纸、织物、纺织品、木材、金属的材料形成的工件。为了实现效率和一致性的这些目标，用于切削工件的工具必须能够被精确控制并快速移动。大体上需要用于控制这种切削工具的改进的装置和方法。
发明内容
本发明的方面针对用于控制工具的致动器、***和方法。
根据本发明的一个方面，公开了一种用于控制工具的致动器。致动器包括第一马达、第二马达和控制器。第一马达可操作成旋转围绕轴线在第一螺旋方向上延伸的第一螺纹。第二马达可操作成旋转第二螺纹，该第二螺纹与第一螺纹轴向间隔开并且在与第一螺旋方向相反的第二螺旋方向上围绕轴线延伸。控制器与第一马达和第二马达通信。控制器配置成控制第一马达和第二马达的速度和方向，以实现工具的轴向和旋转移动的期望模式。
根据本发明的另一方面，公开了一种切削***。切削***包括第一马达、第二马达、切削工具和控制器。第一马达可操作成旋转围绕轴线在第一螺旋方向上延伸的第一螺纹。第二马达可操作成旋转第二螺纹，该第二螺纹与第一螺纹轴向间隔开并且在与第一螺旋方向相反的第二螺旋方向上围绕轴线延伸。切削工具包括轴，轴具有构造成与第一螺纹配合的在第一螺旋方向上延伸的第一配合螺纹，以及构造成与第二螺纹配合的在第二螺旋方向上延伸的第二配合螺纹。控制器与第一马达和第二马达通信。控制器配置成控制第一马达和第二马达的速度和方向，以实现切削工具的轴向和旋转移动的期望模式。
根据本发明的又一方面，公开了一种用于控制工具的方法。该方法包括第一对旋转步骤。第一对旋转步骤包括沿第一旋转方向旋转第一螺纹，第一螺纹围绕轴线沿第一螺旋方向延伸，并同时沿与第一方向相反的第二旋转方向旋转第二螺纹，第二螺纹与第一螺纹轴向间隔开并沿与第一螺旋方向相反的第二螺旋方向围绕轴线延伸。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可最好地理解本发明，其中相似的元件具有相同的参考标记。当存在多个类似元件时，可将单个参考标记分配给多个相似元件，其中小写字母标记指代特定元件。当共同地指代元件或指向非特定的一个或多个元件时，可删除小写字母标记。这强调了根据惯例，除非另有说明，否则附图的各种特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，可扩展或减小各种特征的尺寸。附图中包括以下图：
图1是示出根据本发明的方面的示例性切削***的图；
图2是示出图1的示例性切削***的切削工具的图；以及
图3是示出根据本发明的方面的用于控制工具的示例性方法的流程图。
具体实施方式
这里描述的本发明的实施例大体上涉及切削工具的控制。然而，本领域普通技术人员将理解，本发明不限于此。相反，这里描述的实施例可用于控制任何数量的备选类型的工具。根据本文的描述，合适的工具对于本领域普通技术人员而言是已知的。
参考附图，图1和图2示出了根据本发明的方面的示例性切削***10。切削***10可与切削台关联使用以便切削工件。
切削***10包括致动器100和工具180。致动器100控制工具180的位置和移动。通常，致动器100包括成对的马达110,130和控制器150。下面描述致动器100的其它细节。
马达110,130产生工具180的移动。在示例性实施例中，每个马达110,130联接到相应的螺纹112,132。马达110可操作成旋转螺纹112，并且马达130可操作成旋转螺纹132。
螺纹112,132可表征为内螺纹(例如，限定向内延伸的螺纹的凹槽)或外螺纹(例如，相对于凹槽突出的脊)。螺纹112围绕轴线102在第一螺旋方向上延伸。螺纹132沿轴线102与螺纹112轴向间隔开。螺纹132围绕轴线102在第二相反的螺旋方向上延伸。在示例性实施例中，螺纹112,132由成对的螺母形成。根据本文的描述，限定螺纹112,132的其它合适的结构对于本领域普通技术人员而言是已知的。
控制器150与马达110,130通信。控制器150配置成控制马达110,130的速度和方向。马达110,130的这种控制导致对螺纹112,132的移动的对应的控制。因此，控制器150控制马达110,130，以实现工具180的轴向和旋转移动的期望模式。
在示例性实施例中，控制器150与存储器联接。存储器存储表示选择的工具180的成系列的移动的数据，以便在工件上执行期望的切削或成系列的切削。控制器150控制马达110,130，以使工具180执行存储在存储器中的成系列的移动。
控制工具180的移动之外或代替控制工具180的移动，控制器150还可使用一个或多个其它致动器(诸如线性致动器，未示出)来控制工件的移动，以便结合工具180的切削移动来移动工件。根据本文的描述，用于移动切削***10的工件的合适结构对于本领域普通技术人员而言是已知的。
工具180是切削工具。工具180包括轴或手柄182和设在轴182的轴向端上的刀片184。轴182还包括在其外表面上的螺纹186,188。螺纹186,188可为外螺纹(例如，限定螺纹的菱形岛从轴182向外延伸)或内螺纹(例如，限定菱形岛的凹槽向内延伸到轴182中)。螺纹186在一个螺旋方向上延伸，并且构造成与螺纹112配合。螺纹188在相反的螺旋问题中延伸，并且构造成与螺纹132配合。螺纹186,188可彼此重叠，或可轴向间隔开并彼此分开。
控制器150对马达110,130的具体操作如下所述。本领域普通技术人员将理解，下面描述的每个操作或动作是作为示例提供的，并且不限制本发明。
控制器150可配置成沿轴向移动工具180。为了执行此动作，控制器150操作马达110以沿第一旋转方向(例如，顺时针方向)旋转螺纹112，并且同时操作马达130以相同的速度沿相反的第二旋转方向(例如，反时针方向)旋转螺纹132。螺纹112的这种旋转在工具180的螺纹186上施加向下的力，并且螺纹132的这种旋转在工具180的螺纹188上施加向下的力。结果，工具180沿轴向向下的方向移动。
随后，控制器150操作马达110以沿第二旋转方向旋转螺纹112，并同时操作马达130以使螺纹132沿第一旋转方向以相同的速率旋转。螺纹112的这种旋转在工具180的螺纹186上施加向上的力，并且螺纹132的这种旋转在工具180的螺纹188上施加向上的力。结果，工具180沿轴向向上的方向移动。
最佳切削运动可能需要上述向上和/或向下运动来覆盖特定的行程长度。在示例性实施例中，控制器150控制工具180以达到8mm的行程长度移动，并且优选地，从0.3至1.2mm。
最佳切削运动还可包括周期性地重复切削工具180的上述向上和向下运动。因此，在示例性实施例中，控制器150可配置为对马达110,130进行上述脉冲式操作。
例如，控制器150可在第一旋转方向和第二旋转方向之间以交替模式对马达110,130进行脉冲式操作。控制器150可首先同时操作马达110,130以产生工具180的向下运动一段时间，并然后同时操作马达110,130以产生工具180的向上运动一段时间。工具180的这种前后(或上下)移动产生了工具180的刀片184的锯切运动。
可进一步以期望的频率执行上述锯切运动。在示例性实施例中，控制器150操作马达110,130以使工具180以100Hz或更高的频率上下移动，并且优选地以300Hz或更高的频率移动。此频率需要执行上述成对的旋转持续10ms或更短，并且优选3.3ms或更短。
控制器150可备选地配置成旋转工具180(即，沿旋转方向移动工具180)。为了执行此动作，控制器150操作马达110以沿旋转方向旋转螺纹112，并操作马达130以使螺纹132沿相同的旋转方向旋转。螺纹112和螺纹132沿相同方向的这种旋转在工具180的螺纹186和螺纹188上施加旋转力。结果，工具180旋转。
通过在成对的相反的方向上以相同的速率在旋转的螺纹112和132之间循环并然后反转方向而产生的上述轴向锯切运动可操作以使工具180相对于特定的轴向基点沿向上或向下方向移动，例如，轴向基点可设置在工件平面上或与工件平面轴向间隔开。只要螺纹112和132在向上或向下运动的每个部分中以相同的速度旋转，则循环的一部分中的速度不需要与循环的另一部分中的速度相同。例如，可能希望在下行程上施加第一转速并在上行程上施加第二转速，这可通过对循环的每个部分采用不同的转速来实现。每个行程过程中的相应速度可符合任何类型的曲线，如方波、正弦波、锯齿波或它们的某种组合，这些曲线在行程的上部和下部之间可为不同的。因此，与另一个相比，在行程的一部分中旋转速度可相对更快，或在每个行程的大部分过程中旋转速度可几乎相同。通常，由于需要在行程的每个向上或向下部分的开始和结束处反转方向，所以在开始或结束时的速度通常比在行程的向上或向下部分的中间更慢，以使工具和/或马达的磨损最小化，并因此正弦波可能比方波更理想。为了使轴向基点向上或向下朝向或远离工件轴向移动，如从静止位置到非静止位置，或为了容纳非平面工件，控制器150可配置成以不同的转速旋转螺纹112和132。虽然上面分别描述了工具180的轴向和旋转移动，但是应该理解，本发明不限于此。相反，例如，通过以一个速率沿一个旋转方向旋转螺纹112，以及通过沿相反旋转方向和/或以不同的速率旋转螺纹132，工具180的轴向和旋转移动可组合成一个螺旋(轴向+旋转)移动。螺旋移动中的轴向或旋转运动的量取决于螺纹112和132的旋转中的速度和/或方向中的差异。
当切削操作完成时，控制器150可操作以从工件撤回工具180，例如，通过将工具180沿向上方向轴向移动到静止位置。在该实例中，致动器100还可包括护套。控制器150可操作马达110,130以撤回工具180，使得当不执行切削操作时刀片184定位在护套内。
图3示出了根据本发明的方面的用于控制工具的示例性方法200。方法200可由切削***用于切削工件。通常，方法200包括成对的旋转步骤。下面关于切削***10的构件描述方法200的其它细节。
在步骤210中，第一螺纹沿第一旋转方向旋转。在示例性实施例中，控制器150操作马达110以沿第一旋转方向(例如，顺时针方向)旋转螺纹112。
在步骤220中，第二螺纹沿相反的第二旋转方向旋转。在示例性实施例中，控制器150操作马达130以沿相反的第二旋转方向(例如，逆时针方向)旋转螺纹132。
步骤220与步骤210同时执行。为了执行期望的锯切运动，可能期望执行步骤210和220达预定的一段时间，例如10ms或更短。
本领域普通技术人员将理解，方法200不限于上述步骤，而是可包括本领域普通技术人员将理解的备选或附加构件。
例如，方法200可包括紧接在第一对旋转步骤之后执行的另一对旋转步骤。该第二对旋转步骤包括沿第二旋转方向旋转第一螺纹(步骤230)，并同时沿第一旋转方向旋转第二螺纹(步骤240)。可能希望执行该第二对旋转步骤达预定的一段时间，该预定的一段时间可为与第一对旋转步骤的时间相同或不同的一段时间。
又例如，方法200可包括在执行任何旋转之前使切削工具与第一螺纹和第二螺纹接合。在示例性实施例中，工具180的螺纹186与螺纹112接合，并且工具180的螺纹188与螺纹132接合。
尽管这里参考特定实施例说明和描述了本发明，但是本发明并不限于所示的细节。相反，可在权利要求的等同物的范围和程度内对细节进行各种修改而不脱离本发明。

Claims (17)

1.一种切削***，包括：
第一马达，其能够操作成旋转围绕轴线在第一螺旋方向上延伸的第一螺纹；
第二马达，其能够操作成旋转与所述第一螺纹轴向间隔开的第二螺纹，并且所述第二螺纹围绕轴线沿与所述第一螺旋方向相反的第二螺旋方向延伸；
切削工具，其包括轴，所述轴具有构造成与所述第一螺纹配合的沿所述第一螺旋方向延伸的第一配合螺纹，以及构造成与所述第二螺纹配合的沿所述第二螺旋方向延伸的第二配合螺纹；以及
控制器，其与用于所述第一马达和所述第二马达的致动器以及用于控制工件相对于所述切削工具的位置的线性致动器通信，以及
存储器，其联接到所述控制器，并且配置成存储代表对应于所述工件上的期望切削或成系列的切削的所述切削工具的成系列的移动的数据，所述控制器配置成控制所述第一马达和所述第二马达的速度和方向，以实现所述切削工具的轴向和旋转移动的期望模式，同时控制所述工件相对于所述切削工具的移动，包括：
a) 沿相对的第一轴向方向和第二轴向方向移动所述切削工具，包括将所述工具从静止位置撤回或推进到静止位置，从轴向基点切削位置撤回或推进到轴向基点切削位置，或轴向转移所述轴向基点切削位置；
b) 旋转所述切削工具；以及
c) 产生所述工具的锯切运动，包括在所述轴向基点切削位置时，在旋转所述工具时，或在轴向转移所述轴向基点切削位置时；
其中所述切削工具包括位于所述轴的轴向端部上的刀片；并且
所述锯切运动具有上行程和下行程，并且所述上行程和所述下行程的每个组合包括循环，并且所述控制器配置成引起所述切削工具的速度符合每个循环的曲线。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，操作所述第一马达以使所述第一螺纹沿第一旋转方向旋转，并且操作所述第二马达以使所述第二螺纹沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转，引起所述切削工具沿第一轴向方向移动，并且沿所述第二旋转方向操作所述第一马达并沿所述第一旋转方向操作所述第二马达引起所述切削工具沿与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向移动，并且所述控制器配置成在所述第一旋转方向与所述第二旋转方向之间以交替模式对所述第一马达和所述第二马达进行脉冲式操作，以引起所述切削工具在所述第一轴向方向和所述第二轴向方向上来回移动，以产生所述切削工具的锯切运动，所述锯切运动具有选自一定范围的行程长度的行程长度和选自一定范围的频率的频率。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述控制器配置为在对应于每个轴向方向的所述交替模式的每个部分中以与彼此相同的旋转速度旋转所述第一马达和所述第二马达，以产生以轴向基点切削位置为中心的锯切运动，并且在所述交替模式的一部分中以不同于所述交替模式的另一部分中的旋转速度的旋转速度旋转所述第一马达和所述第二马达，以便将所述工具从静止位置撤回或推进到静止位置，从所述轴向基点切削位置撤回或推进到所述轴向基点切削位置，或另外地轴向转移所述轴向基点切削位置。
4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述频率范围包括100赫兹或更大的范围。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的***，其特征在于，所述控制器配置为操作所述第一马达以使所述第一螺纹在旋转方向上以旋转速度旋转，并且操作所述第二马达以使所述第二螺纹在相同的旋转方向上旋转以旋转所述切削工具。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的***，其特征在于，所述锯切运动具有上行程和下行程，其中所述控制器配置成引起每个上行程或下行程的至少一部分具有与每个上行程或下行程的另一个部分不同的速度。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述曲线包括正弦波。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的***，其特征在于，所述***还包括用于收纳所述切削工具的护套，其中所述静止位置包括定位在所述护套内的所述切削工具。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的***，其特征在于，用于控制所述工件的相对位置的所述线性致动器配置成相对于所述切削工具的固定位置移动所述工件。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的***，其特征在于，用于控制所述工件的相对位置的所述线性致动器配置成相对于所述工件的固定位置移动所述切削工具。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的***，其特征在于，所述切削工具包括所述轴的轴向端处的刀片。
12.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述刀片具有尖末端，以及从所述尖末端相对于所述轴的轴线成角延伸的线性切削刃，使得所述切削工具相对于所述工件的下行程沿垂直于所述轴的轴线的线侧向切削所述工件。
13.根据权利要求12所述的***，其特征在于，所述刀片是刀具刀片。
14.根据权利要求13所述的***，其特征在于，所述刀具刀片仅具有面对相对于所述轴的轴线的侧向方向的单个切削刃。
15.根据权利要求1-4中任一项所述的***，其特征在于，所述切削***包括切削台。
16.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述行程长度的范围包括0.1到8mm的范围。
17.根据权利要求4所述的***，其特征在于，选择的所述频率是至少300赫兹。
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