CN1575921A - 用于将工具相对于工件定位的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于将工具相对于工件定位的装置，包括可绕第一轴线旋转的第一托架，以及由第一托架所携带并可围绕由第一托架形成的第二轴线旋转的第二托架。第二轴线平行于第一轴线且与之形成偏心的关系。工具座以与第二轴线形成偏心的关系而固定到第二托架上，驱动机构选择性地围绕第一轴线旋转式驱动第一托架和围绕第二轴线旋转式驱动第二托架，从而选择性地定位工具夹头。固定在工具夹头中的工具可相对于工件沿选定的路径运动。

Description

用于将工具相对于工件定位的方法和装置

技术领域

本发明大体上涉及一种用于将工具相对于工件定位的方法和装置。本发明特别适用于将焰炬相对于工件如结构钢构件等定位。

背景技术

在许多不同的场合和环境下均希望有用于不同类型工具的可靠且有效的机床控制的工具***或其它类型的夹具。例如，采用五轴数控机床来使工具如钻头在三维空间中运动(以及还使工件自身运动)，以便执行工件成形所需的各种机加工操作。考虑到移动工具和工件需要复杂的计算机控制以及各种电动机和传动装置，这种机床比较昂贵。另外，数控***的计算机编程是很费时且复杂的。例如在一些情况下，需要通过在曲线上的特定点之间进行插补才仅能模拟特定曲线的形状，这或者要求进行大量点的耗时的确定工作，或者导致了与所需曲线稍有偏差的机加工曲线。

对于特别大和/或长的工件、例如结构角钢梁和槽钢来说，并不总是能自如地沿工件的长度来移动工具。在这些应用中，已经知道可以支撑适当的工具如焰炬以在基本上正交于工件长度的平面内运动。例如，Magnuson的美国专利No.5256212公开了一种装置，其将工具(例如焰炬)支撑于环件上，以便在工件纵向地运动穿过环件时使工具围绕工件运动。该装置使工具在环件的两维平面内围绕着工件运动，并且使工件沿其纵向长度运动，从而在第三维中产生了工具和工件之间的相对运动。工件可通过与输送带相连的夹具来移动，或通过一组驱动辊来移动，这些驱动辊通过压在工件上而与工件驱动式接合。

在这种工具支撑装置中，焰炬所进行的切削通常在环件的中心进行。通过将焰炬定位在适当的位置并之后使工件运动经过焰炬，就可以实现直的纵向切削。通过仍夹持住工件并使焰炬在支撑环平面内在工件的上方运动，就可以实现直的横向切削。通过焰炬围绕环件以及工件沿其长度的组合式运动，就可切削出较大的非直线轮廓。另外，为了切出较小的孔，可通过适当地定位焰炬并之后穿过静止的工件进行切削，就可实现这一目的。这样，无论是进行钻削、冲压、气割、切削或其它操作，均可以到达待加工工件的整个表面。

然而，对于一些切削来说需要更复杂一些的操作。例如，根据所需操作的类型，可将不同的工具固定在支撑装置上。当然，在需要在同一工件上进行不同类型的操作时，工具之间的更换时间显著地降低了装置的有效利用。另外，不同工具的组合成本显著地增加了操作的成本。

虽然可采用单个工具例如切割焰炬来进行多种不同的操作，从而避免需要使用多个工具，然而在上述装置中使用切割焰炬来进行一些操作可能会带来问题。例如，当操作涉及到切削较大的封闭曲线(例如较大的孔)时，可能需要使工件的纵向运动方向反向，并且这种变化的工件运动要求焰炬的运动具有较高的加速和减速速率。例如，如果要平行于工件的纵向来切出小的方孔，那么可能需要工件在几分之一英寸内从完全停止(当焰炬横向地切削时)变化到全速切削(当焰炬纵向地切削时)。在该纵向切削的最后，需要有一个类似的较高减速而达到停止，以便再次变化为横向切削。可以理解，一个孔就需要工件进行多次的高加速和减速。而且，孔的角部处的直径越小，所需的加速和减速就越大。

当在重型材料、例如在施工中常用的结构钢构件中或者甚至在高速运动的轻质材料中进行这种切削时，提供必要的加速和减速的齿轮箱和电动机是庞大且昂贵的，有时是不切实际的。然而，当用于移动工件的必要设备的能力不足时，由于机器在方向变化期间无法使工件足够快地加速到全速切削(或足够快地停下来)，因此所切出的孔和角部会产生变形。

本发明旨在克服上面提到的一个或多个问题。

发明内容

在本发明的各个方面，可将工具定位成可沿所需的路径在一定运动范围内移动，以便促进工具以及可由工具来操作的工件的使用。这种操纵可通过使用固定在可绕某轴线枢轴转动的轭臂上的工具座来实现，和/或通过使用两个偏心托架来实现，其中位置反馈允许选择性地驱动这些托架可实现这种定位和运动。

在本发明的一种装置形式中，提供了工件驱动件和工具座或旋转组件，以便可用切削工具来沿切削路径切削细长的工件。工件驱动件可选择性地沿着相互正交的X轴、Y轴和Z轴坐标系中的X轴方向来移动所支撑的工件。工具座包括可转动的第一托架，其具有第一旋转轴线和第一驱动齿轮，工具座还包括由第一托架所携带以便可围绕第二轴线旋转的第二托架，其中第一轴线和第二轴线间隔开。在第二托架上设有围绕着第二轴线呈圆形的轮齿，并且工具夹头可将工具安装在第二托架上，并使工具定位成与第二轴线大致平行且间隔开。齿圈可绕第一轴线旋转，并与第二托架上的轮齿啮合。驱动件可选择性地驱动第一驱动齿轮和齿圈，以便选择性地定位和移动工具，导环可支撑工具座，以使其可沿Y方向和Z方向运动，并且围绕工件旋转。

在本发明的这一方面的一种形式中，第一轴线和第二轴线间隔开距离S，工具和第二轴线间隔开距离T，因此，该装置可切削出处于半径为S+T的圆内或圆上的至少一些路径。在另一种形式中，S＝T，因此该装置可切削出处于半径为S+T的圆内或圆上的任意路径。

在另一种形式中，第一和第二驱动件可通过不同的旋转角度来分别选择性地驱动第一托架和齿圈，从而将工具定位在距第一旋转轴线为选定距离的位置处。或者，第一驱动件和第二驱动件可以相同的转速来驱动第一驱动齿轮和齿圈，因此工具可在围绕着第一旋转轴线的圆内运动。

在本发明的这一方面的另一种形式中，驱动件与齿圈接合，第一驱动锁定件可在沿第一旋转方向驱动齿圈时将第一托架锁定在齿圈上，而第二驱动锁定件可在沿着与第一旋转方向相反的第二旋转方向驱动齿圈时防止第一托架旋转。

在另一种形式中，位于齿圈和工具座之间的倾斜支撑件相对于大致处于X-Y平面内的工件表面选择性地倾斜，从而补偿切口侧的角度或提供选定的斜边切削。

在本发明的用于将工具相对于工件定位的另一种装置方面中，第一托架可绕第一轴线旋转，第二托架由第一托架所携带并可围绕由第一托架所形成的第二轴线旋转。第二轴线平行于第一轴线并与之形成偏心的关系。工具夹头以与第二轴线形成偏心的关系固定在第二托架上，驱动机构可选择性地围绕第一轴线旋转式驱动第一托架和围绕第二轴线旋转式驱动第二托架，以便选择性地定位工具夹头。

本发明的上述第一装置方面的各种形式可有利地用于本发明的这一方面中，同样，本发明的这一方面的下述形式也可用于本发明的上述第一方面中。

例如，在一种形式中，工具可选择性地定位在围绕第一轴线呈圆形的一个区域中，该区域的半径为第二托架相对于第一轴线的偏心关系以及工具夹头相对于第二轴线的偏心关系之和。

在本发明的这一方面的另一种形式中，齿圈可绕第一轴线转动且与第二托架上的外部轮齿啮合，并且驱动件可选择性地转动齿圈。第一驱动锁定件可在沿第一旋转方向驱动齿圈时将第一托架锁定在齿圈上，而第二驱动锁定件可在沿着与第一旋转方向相反的第二旋转方向驱动齿圈时防止第一托架旋转。

在另外一种形式中，第一托架包括套筒，该套筒具有形成了第二轴线的圆柱形接受孔，第二托架包括(1)可转动地容纳在圆柱形接受孔中的圆柱形外部，以及(2)围绕着第二轴线呈圆形的外齿轮。在这种形式中，齿圈可绕第一轴线转动且与第二托架的外齿轮啮合，并且齿圈的半径基本上等于外齿轮的半径加上第一轴线和第二轴线之间的偏心距。

在本发明的方法方面，提供了一种采用可围绕第一轴线旋转的第一托架来使工具相对于工件运动的方法，包括步骤：(1)将工具安装在由第一托架所旋转式携带以便可围绕由第一托架形成的第二轴线旋转的第二托架上，第二轴线相对于第一轴线偏心，并且切削工具相对于第二轴线偏心；以及(2)通过选择性地围绕第一轴线旋转式驱动第一托架和围绕第二轴线旋转式驱动第二托架，从而使该工具沿着选定的路径运动。

在本发明的这一方法方面的一种形式中，第一托架和第二托架在运动步骤期间被单独地旋转式驱动。

在另外一种形式中，第二托架被支撑成与可绕第一轴线旋转的齿圈的内齿形成驱动式接合，其中在运动步骤期间，通过选择性驱动第一托架和齿圈来使工具选择性运动。在另一种形式中，通过运动步骤来使工具运动以切削圆柱形孔，该步骤包括：(1)使第一托架和齿圈旋转，从而将工具定位在距第一轴线的距离等于圆柱形孔的半径的位置处，(2)使工具与工件对齐，从而使第一轴线与待切出的圆柱形孔的轴线重合，以及(3)在以相同转速围绕第一轴线旋转第一托架和齿圈时利用切削工具切出该圆柱形孔。在另一种形式中，将第一托架在一个方向上的旋转锁定住，并且在齿圈沿着与所述一个方向相反的另一方向旋转时将第一托架和齿圈的相对旋转锁定住，在孔的切削期间限制工件的运动。

从本发明的下述详细描述、权利要求书以及附图中可以容易地清楚本发明的众多优点和特征。

附图说明

在构成了说明书的一部分的附图中，采用相似的标号来表示相似的部分，在图中：

图1是结合有本发明的示例性工具定位装置的透视图，其尤其适用于定位用于切削纵向伸长的工件、例如所示的狭长扁材薄片的焰炬；

图2是包括于图1所示装置中的工具运动装置的透视图，其中为方便说明起见在图2中略去了工具(例如焰炬)；

图3是图2所示装置的透视图，其中为方便说明起见在图2中略去了驱动件的外壳；

图4是图2所示工具运动装置的分解透视图；

图5是显示了采用根据本发明的工具运动装置来定位工具的坐标图；和

图6是由单个驱动件所操作的工具运动装置的另一实施例的透视图。

具体实施方式

尽管本发明具有许多不同形式的实施例，但本说明书和附图仅公开了作为本发明例子的特定形式。然而，本发明并不限于所述的形式。本发明的范围在所附权利要求书中指出。

描绘了装置的附图显示了一些机械零件，它们是本领域的技术人员已知且所认识的。这种零件的详细描述对理解本发明来说不是必需的，因此，在这里仅在必要的程度上进行说明，以促进理解本发明的新颖特征。

图1显示了工具定位装置10，其可有利地用于纵向伸长的工件，在图中显示了一个这种工件12。广义上说，该装置类似于美国专利No.5256212所述的装置，其改进之处将在下文中讨论。美国专利No.5256212的全部公开内容通过引用完全地结合于本文中。

如所示，工具定位装置10包括用于导环22的支撑框架20。导环22由框架20适当地支撑以便可围绕其中心轴线旋转，并还被适当地支撑以在相互正交的X轴、Y轴和Z轴坐标系中的Y-Z平面内运动(即上下运动和横向地或向侧面地运动)。在图1中显示了齿轮和齿条24，其包括适当的驱动轴26，其用作使导环22在垂直方向(Z轴)上运动的一个适当驱动件。可采用类似的装置(图1中未示出)来使导环22在水平方向(Y轴)上运动。然而，应当理解，这些驱动件仅是可以使用的驱动件的一些例子。本领域的技术人员已知了许多种可用于在Y-Z平面内驱动这种导环22的适当结构，并且用于控制这种运动的任何适当结构均可用于例如图1所公开的本发明的实施例中。

工件12被适当地支撑以便能大致沿导环22的轴线纵向运动，如同通过常规机构或特殊机构如从动辊或输送带(未示出)所实现的那样，其轴线大致平行于正交坐标系的X轴。通过使工件12在X方向上运动并使导环22在Y-Z平面内运动和围绕中心轴线运动，就可将所支撑的工具30容易地定位成可达到纵向工件12上的大多数点位。通过适当的常规机构或特殊机构(图1中未示出)可使导环22旋转360度，这使得工具30可被定位成正交于工件12上的任意表面，以便进行所需的加工。例如可通过导轨来将控制线缆和电源线缆(未示出)适当地支撑于装置10中，从而允许导环22进行这种运动而不会束缚或扭曲线缆。

用于使工件12运动的机构、用于使导环22在Y-Z平面内运动的机构以及用于使导环22旋转的机构可采用适当的常规设计或特殊设计。这种设计的细节并不构成本发明的部分。

在所示实施例中，工具30是等离子焰炬，其具有可适当地切削工件12的火焰。这种焰炬30可有利地用于多种不同的操作，从而通过使几乎所有操作均在这一工具30中进行来为装置10提供了有效的用途，这是因为装置10可连续地工作而不需要停机时间以在不同类型的工具之间进行更换(例如在不需要进行长切削之后换上钻头以便切削孔)。另外，这种操作可有利地设置在其中的空间或其它局限性阻止了安装其它工具如钻头或压机的装置中，例如在这种情况中，焰炬30可能是唯一可用于执行所需操作的工具。然而，应当理解，本发明可有利地用于在操作期间需要定位的许多种工具中，包括需要不时地更换工具的装置中。

而且，通过使用如下所述地结合在装置10中的本发明，工具30便可有利地定位，不需要使工件12快速地加速和减速以进行多种类型的操作，从而可使用于沿其长度来驱动工件12的齿轮箱和电动机成本较低且结构紧凑，而且能够保证无失真的切削(例如孔和角部)。

在所示实施例中还可有利地包括有半圆形轭臂34，以允许工具30倾斜成一定的角度而补偿切口侧面的角度，或者在需要时提供选定的斜边切割。具体地说，轭臂34在围绕着Y-Z平面内的枢轴的相对两端处固定住，并且该枢轴穿过导环的中心轴线(其平行于X轴)。可设置适当的驱动件36来控制轭臂34的枢轴位置，还可设置适当的配重38来帮助保持重量平衡，并通过降低在轭臂34枢轴转动时的力矩来允许使用紧凑且成本较低的轭臂驱动件36。因此应当理解，该轭臂34可允许切削工具30如焰炬能够倾斜，从而提供斜边切削或成一定角度的切削，或者在需要时补偿切削的自然切口，同时仍使工具30处于导环22的中心轴线处的所需切削点上。轭臂倾斜驱动件36可具有任何适当的常规设计或特殊设计，其设计细节并不构成本发明的部分。

现在来看构成了本发明的一个方面的工具座40，其也可表征为旋转组件。工具座40将工具30支撑在如图1所示的轭臂34上，并且根据本发明的一个方面，工具座40可以一种如下所详述的新颖方式操作，以便使工具30能够运动到Y-Z平面之外。更具体地说，当工具30被轭臂34支撑成定位在Y-Z平面内时，可操作工具座40以实现工具30在X轴方向上的一些运动。当工具座40通过轭臂34而倾斜到Y-Z平面中的方位之外而到达一个形成一定角度的方位时，工具30可相对于X-Y-Z坐标系类似地倾斜，但在该倾斜方位内仍可操作工具座，以实现工具30在X轴方向上的运动(不会产生这种运动的唯一情况是，工具座40被轭臂34倾斜到其中工具30的轴线平行于X轴的方位中)。

因此，一旦理解了工具座40就应当认识到，工具30可产生运动而加工(例如切削)许多种形状的工件12，这些形状包括圆形、方形、槽形或其它在X轴方向上延伸并处于工具30的运动范围内的孔，如下所述。这种切削不需要通常较重的工件12进行较大的加速和减速运动，并且切削不存在失真的部分(例如尖角)。而且，工具座40比较紧凑，因此在空间有限、例如在设有所示导环22的应用中特别有利。

图2到4具体地显示了结合有本发明的这一方面的工具座40。

具体地说，如图2所示，设置了外壳44，其包括有驱动导向部分46和套管导向件48。参见图3，图中显示了在安装外壳之前的工具座40，在套管导向件48内适当地旋转式支撑了外部偏心套筒或第一托架50，其可围绕中心轴线52(图2)旋转。

外部即第一托架50包括有开口56(图4)，其为围绕着第二轴线58(图4)的圆柱形，该第二轴线58与外部托架中心轴线52偏开距离S。如图4所示，在外部的第一托架圆柱形开口56内适当地旋转式支撑了内部偏心套筒或第二托架60，其可围绕第二轴线58旋转。可使用适当的轴承、挡圈和导环62来将托架50，60固定住，以便实现所需的旋转。

内部(第二)托架60支撑或包括有工具夹头，在所示的当前的优选形式中，工具夹头包括至少一个开口64(图4)，该开口64形成于内部托架中并围绕着第三轴线66呈圆柱形，该第三轴线66与第二轴线58偏开距离T。内部托架开口64作用工具夹头，这样，工具30(图2到4中未示出)便可在操作期间被适当地固定住，使得其轴线(例如焰炬火焰的轴线)与第三轴线66对齐。工具夹头将工具30固定在托架60上或固定在托架60内的具体方式并不构成本发明的部分。

参见图4，围绕着第一轴线52呈圆柱形的外齿轮70适当地固定在外部托架50上，或者与外部托架50形成一体。适当的第一驱动件，例如在所示实施例中通过皮带轮78(图3)连接到伺服电动机76上的定时带74通过其与外齿轮70的接合而选择性地转动外部托架50，从而以将在下文中详述的方式来定位工具30。

围绕第二轴线58呈圆柱形的外齿轮80适当地固定在内部托架60上，或者与内部托架60形成一体。具有与齿轮80啮合的内齿84并具有外齿86的齿圈82被适当地旋转式支撑，并且其轴线与第一轴线52(即第一托架50的轴线)对齐。

适当的第二驱动件、例如在所示实施例中通过皮带轮92连接到伺服电动机90上的定时带88通过其与齿圈外齿86的接合而选择性地转动内部的第二托架60，从而以将在下文中详述的方式来定位工具30。可在定时带74，88之间设置垫圈94。

电动机76，90例如可通过螺栓来适当地固定在电动机支座板100上，该板100固定在外壳44上。另外，通过适当的螺栓和压缩弹簧104来将定位板102固定在外壳44上，如同通过上述轴承、挡圈和导环62来固定零件一样。

在定时皮带轮78，92的附近还设有感应式接近开关110，112，其可切换对托架50，60上的定位螺钉114的接近性测量(在图4中只显示了用于第二托架60的定位螺钉114)。因此，可使用这些开关110，112来使托架50，60回到其原始位置(首先是外部的第一托架50回原位，之后是内部的第二托架60回原位)，从该原位开始，可选择性地驱动定时带74，88以使齿圈82和托架50，60运动，并在与轴线52，58，66正交的平面内可预测地定位且移动齿圈82。然而应当理解，任何能够知道托架50，60的位置、从而类似地知道所安装的工具30的位置的结构均可适用于本发明的这一方面中。

下面将详细地介绍托架50，60和齿圈82的用于定位工具30的运动。

第一托架50旋转而齿圈82静止将导致第二托架60围绕第一轴线52被带动且旋转，并且由于其围绕着第一轴线52被带动，因此第二托架60还会围绕第二轴线58旋转，这是因为其外齿轮80会沿着齿圈82的内齿84产生蠕动。因此，所安装的焰炬30的火焰将随从第三轴线66，并同时围绕着第一轴线52和第二轴线58被带动且旋转。这种焰炬30可被支撑成使得焰炬(及其火焰)可绕第三轴线66本身旋转或不旋转。

另一方面，齿圈82旋转而第一托架50静止仅会使第二托架60围绕其轴线58旋转，使得偏心安装的焰炬的火焰围绕着第二轴线58被带动或旋转，同时第二轴线58相对于第一轴线52保持固定的方位。

当然，通过其各自的伺服电动机76，90来同时转动第一托架50和齿圈82，结合这种选择性旋转来定位所安装的工具30，就可实现这些操作。因此，现在可以理解，工具座40所携带的工具30可定位在处于与平行轴线52，58，66正交的平面中的圆内，这个圆的半径等于偏心量S+T之和，其中在S＝T时工具30可定位在该圆内的任何位置。例如，如果偏心量均为0.375英寸，那么工具可定位在圆心处于第一轴线52上且半径为0.75英寸的圆内的任意位置处。另外，在S＝T的这种有利结构中，工具座40可停留在用于进行法向加工的位置上(此时不必进行X轴运动)，在此处第三轴线66与第一轴线52重合。

图5显示了用于将工具30适当地定位在所需点处的几何图形，其中X’-Z’平面内的任意选定点可由与X’轴形成的角度以及距第一轴线52的半径R来确定。例如，当导环22和轭臂34定位成可将所安装的工具30直接定位于工件12之上且第三轴线66为垂直的时，X’轴和Z’轴对应于图1中所示的X-Z方向。参见图5中的X’轴和Z’轴，并考虑到导环22和轭臂34可枢轴转动以移动三维坐标系的定位的情况。

具体地说，根据余弦定律：

(1)α＝arccos[(S²+R²-T²)/(2×S×R)]

应当理解，工具座40可被设计成具有任何所需的偏心量S和T。然而，在一个有利实施例中，应当理解，当如上所述不需要X轴方向的运动时，S＝T可允许工具30在第三轴线66与第一轴线52对齐时定位在用于法向加工中的有利停止位置处。

在下述计算中为简化起见，偏心量均假定为0.375英寸(即S＝T＝0.375英寸)。然而应当理解，本领域的技术人员已经知道，可以修改下述计算和公式以用于不同的偏心量。给定S＝T＝0.375英寸，从公式(1)中可以得到，

(2)α＝arccos(R²/0.75R)＝arccos(R/0.75)

另外，由于S＝T，那么α＝b＝c，从图5中可以看出，

(3)1＝-α

将公式(2)代入到公式(3)中，得到：

(4)1＝-arccos(R/0.75)，

其中，1是外部托架50离其原位的角方位(其中第一轴线52(图4)位于X’轴上的原位中)。

另外，从图5中可以看出，

(5)2＝+c

由于如上所述，在S＝T时α＝c，因此将公式(2)代入到公式(5)中，得到：

(6)2＝+arccos(R/0.75)，其中2是内部托架60离X’轴的角方位。在该示例中，托架50，60的原位沿着X’轴延伸，这样，当托架50，60均处于其原位时，1＝0且2＝0。当在该示例中S＝T＝0.375英寸时，在托架50，60均处于其原位时，第三轴线66(图4)沿着离第一轴线52为0.75英寸的X’轴而设置(图4)。

另外，由于内部托架60的旋转由齿圈82和外部托架50的旋转来控制，因此可以确定，将内部托架60定位在角2处的齿圈82的旋转要求齿圈82转到离原位为角3处，其中3从下述公式中计算出来：

(7)3＝[(2-1)/G]+1，其中G为齿圈82与内部托架60的外齿轮80的齿数比。代入到公式(4)和(6)中，可以得到：

(8)3＝{[2×arccos(R/0.75)]/G}+-arccos(R/0.75)

因此，从工具座40的已知设计参数(例如齿数比G以及偏心量S和T)中以及足以确定X’-Z’坐标平面内的选定点的两个已知坐标(即R和)中应当理解，通过使外部托架50从其原位(由接近开关110检测)中转动角1(从公式(4)中确定)，并且使齿圈82从其原位(由接近开关112检测)中转动角3(从公式(8)中确定)，就可以将工具30定位在选定点。因此，通过选择性地使外部托架50和齿圈82转动选定的量，就可将固定在工具座40上的工具30容易地定位在圆形运动范围内的任何所需的点处。

因此，无需工件12进行任何运动，就可以切出可处于这种圆内且在工件12的纵向(X’轴)上延伸的复杂形状。因此，可以避免使用例如上述的庞大且昂贵的驱动装置，这种装置在切削中会产生变形。由于工具30比这种工件12小很多，因此通过用比使工件12运动所需的更小且成本更低的驱动件(例如伺服电动机76，90)就可完成切削所需的X’方向上的运动，在那种情况下需要在切削期间使工件12沿X’方向运动。而且，可以快速地完成这种切削所需的方向变换，从而可切出更尖锐的角部，不会使角部变形。

另外，为了使工具30在半径为R的圆上运动(例如切削半径为R的圆孔)，应当理解，可使托架50，60相互间旋转，将工具30定位在离第一轴线52为选定半径R(见图5)的位置处，然后使定时带74，88以相同的速度一同旋转(因此第一托架的外齿轮70随齿圈82一起旋转)，使得工具在一定的路径中运动，该路径为围绕着第一轴线52且半径为R的圆。不必计算例如在许多工具定位装置中所需的用于插补该路径的点即可切出这种圆。因此，不仅切削路径为一个真实的圆，而且消除了在切削期间要求恒定地改变速度和方向的计算路径中的固有误差的机率。

在图6中公开了另一种工具座40’，其适于仅利用一个伺服电动机90’来沿着圆形路径移动工具30。在这幅图及其描述中，与上述第一结构(图1到4中)共有的零件采用相同的标号来表示，相似但经改进的零件采用相同的标号但是加上一个撇号来表示(例如40’)。

从图6中可以看出，在外部即第一托架50’的偏心圆柱形开口中旋转式携带有内部即第二托架60，其具有用于工具30的偏心圆柱形孔64。外部托架50’可旋转地固定在外壳44’内。外部托架50’、内部托架60和工具安装开口64的纵向圆柱轴线分别对应于如图2和4所示的轴线52，58，66。定时带88由伺服电动机90’驱动，从而选择性地驱动齿圈82。

在第一托架50’上固定了第一单向式止回杠杆、棘爪或锁定件150，其可被偏压(例如通过未示出的扭簧)到齿圈82的内齿84上，从而与齿84相接合。因此，当齿圈82沿着从图6中上方看去为顺时针的方向旋转时，棘爪150以及棘爪150安装于其上的外部托架50’将与齿圈82一起围绕第一轴线52沿顺时针方向旋转。

在外壳44’上固定了第二单向式止回杠杆、棘爪或锁定件152，其可被适当地偏压(例如通过未示出的扭簧)到外部托架50’的外齿轮70的齿上，从而防止外部托架50’逆时针旋转(从图6中上方看去)。因此，当齿圈82逆时针旋转时，外部托架50’将保持静止(相对于外壳44’而言)，因此只有内部托架60旋转，并且这种旋转围绕着相对于外壳44’保持固定的第二轴线58而产生。

在这种工具座40’中，首先采用如上所述的接近开关或其它适当的装置来将托架50’，60定位在原位。在该优选的原位中，三条轴线52，58，66在一个平面内对齐。从该原位开始，齿圈82可通过伺服电动机90’而逆时针旋转，导致只有内部托架60旋转(因为第二锁定件152阻止了第一托架50’的旋转)，这种旋转导致第三轴线66改变其相对于第一轴线52的间距。一旦该旋转将第三轴线66定位在距第一轴线52为等于所需圆形路径的半径(例如如上所述地确定)的间距R处，伺服电动机90’便反向而顺时针地旋转，从而使齿圈82沿顺时针方向旋转。由于第一锁定件150将导致齿圈82和外部托架50’一起作为一个整体沿顺时针方向转动，因此内部托架60就被相对于外部托架50’锁定住，因此沿第三轴线66定向的所安装的工具30将固定在离第一轴线为选定的距离R处，因此可随从半径为R的圆形路径运动。

如上所述，例如包括于上述具体结构中的本发明可有利地用于提供一种紧凑、成本低且高效的装置，它可允许工具可靠地定位和运动以执行多种操作，包括切削具有较小半径和/或尖角的无变形的孔。本发明还例如可应用于沿着工件移动标示工具，或者仅将钻头或冲头定位在工件上的所需操作位置处。根据本发明的装置方面和方法方面的公开内容，也可使其它类型的工具沿工件移动和/或定位在工件上。

从本发明的上述详细描述及其图示中可以容易地清楚，在不脱离本发明的新颖特征或原理的精髓和范围的前提下，可以进行许多变更和修改。

从对说明书、附图和所附权利要求的研究中可以得到本发明的其它一些方面、目的和优点。然而应当理解，本发明也可以其它形式来使用，但在这种情况下将无法得到本发明和上述优选实施例的全部目的和优点。

Claims (27)

1.一种用于采用切削工具沿着切削路径来切削细长工件的装置，所述装置包括：

工件驱动件，其可选择性地使所支撑的工件在相互正交的X轴、Y轴和Z轴坐标系中沿着X轴方向运动；

工具座，包括：

可旋转的第一托架，其具有第一旋转轴线和第一驱动齿轮，

由所述第一托架所携带以便可围绕第二轴线旋转的第二托架，所述第一轴线和第二轴线相互间隔开，

位于所述第二托架上的轮齿，所述轮齿围绕所述第二轴线呈圆形，

工具夹头，其可将所述工具固定在所述第二托架上，并使所述工具定位成与所述第二轴线大致平行且间隔开，和

齿圈，其可围绕所述第一轴线旋转并与所述第二托架上的所述轮齿啮合；

驱动机构，其可选择性地驱动所述第一驱动齿轮和所述齿圈，以便选择性地定位和移动所述工具；和

导环，其可支撑所述工具座，以使其可沿Y方向和Z方向运动并围绕工件旋转。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一轴线和第二轴线间隔开距离S，所述工具和所述第二轴线间隔开距离T，因此所述装置可切削出处于半径为S+T的圆内的路径。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，S＝T，因此所述装置可切削出处于半径为S+T的圆内的任意路径。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动机构包括第一和第二驱动件，它们可通过不同的旋转角度来分别选择性地驱动所述第一托架和所述齿圈，从而将所述工具定位在距所述第一旋转轴线为选定距离的位置处。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动机构包括第一和第二驱动件，它们可以相同的转速分别驱动所述第一驱动齿轮和所述齿圈，因此所述工具可在围绕着所述第一旋转轴线的圆内运动。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动件与所述齿圈接合，所述装置还包括有：

第一驱动锁定件，其可在沿第一旋转方向驱动所述齿圈时将所述第一托架锁定在所述齿圈上；和

第二驱动锁定件，其可在沿着与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向驱动所述齿圈时防止所述第一托架旋转。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括位于所述导环和所述工具座之间的倾斜支撑件，所述倾斜支撑件相对于大致处于所述X-Y平面内的工件表面选择性地倾斜，以便补偿切口侧的角度或提供选定的斜边切削。

8.一种用于将工具相对于工件定位的装置，包括：

第一托架，其可绕第一轴线旋转；

第二托架，其由所述第一托架所携带并可绕由所述第一托架形成的第二轴线旋转，所述第二轴线平行与所述第一轴线并与之形成偏心的关系；

工具夹头，其以与所述第二轴线形成偏心的关系而与所述第二托架相关联；和

驱动机构，其可选择性地围绕所述第一轴线旋转式驱动所述第一托架和围绕所述第二轴线旋转式驱动所述第二托架，以便选择性地定位所述工具夹头。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述工具可选择性地定位在围绕所述第一轴线呈圆形的区域中，所述区域的半径为所述第二托架相对于所述第一轴线的偏心关系以及所述工具夹头相对于所述第二轴线的偏心关系之和。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一轴线和第二轴线间隔开距离S，所述工具夹头和所述第二轴线间隔开距离T，因此所述装置可切削出处于半径为S+T的圆内的路径。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，S＝T，因此所述装置可切削出处于半径为S+T的圆内的任意路径。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

位于所述第二托架上的外部轮齿；

齿圈，其可围绕所述第一轴线旋转并与所述第二托架上的所述外部轮齿啮合；

可选择性地转动所述第一托架的第一驱动件；和

可选择性地转动所述齿圈的第二驱动件。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第一驱动件和第二驱动件可以相同的转速驱动所述第一托架和所述齿圈，因此所述工具座可在围绕着所述第一旋转轴线的圆内运动。

14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

位于所述第二托架上的外部轮齿；

齿圈，其可围绕所述第一轴线旋转并与所述第二托架上的所述外部轮齿啮合；

可选择性地转动所述齿圈的驱动件；

第一驱动锁定件，其可在沿第一旋转方向驱动所述齿圈时将所述第一托架锁定在所述齿圈上；和

第二驱动锁定件，其可在沿着与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向驱动所述齿圈时防止所述第一托架旋转。

15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述第一托架包括套筒，其具有形成了所述第二轴线的圆柱形接受孔；和

所述第二托架包括有

可转动地容纳在所述圆柱形接受孔中的圆柱形外部，和

围绕着所述第二轴线呈圆形的外齿轮。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置还包括可绕所述第一轴线转动且与所述第二托架的外齿轮啮合的齿圈，所述齿圈的半径基本上等于所述外齿轮的半径加上所述第一轴线和所述第二轴线之间的偏心距。

17.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一和第二轴线基本上平行于相互正交的X轴、Y轴和Z轴坐标系中的X轴，所述第一托架支撑于导环上，所述导环适于支撑所述第一托架以使其在所述Y轴和Z轴方向上运动和围绕所述X轴旋转。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述装置还包括工件驱动件，其可选择性地使所支撑的工件在所述X轴方向上穿过所述导环而运动。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述装置还包括位于所述导环和所述工具夹头之间的倾斜支撑件，所述倾斜支撑件相对于大致处于所述X-Y平面内的工件表面选择性地倾斜，从而补偿切口侧的角度或提供选定的斜边切削。

20.一种采用可围绕第一轴线旋转的第一托架来使工具相对于工件运动的方法，包括步骤：

将所述工具安装在由所述第一托架旋转式携带以便可围绕由所述第一托架形成的第二轴线旋转的第二托架上，所述第二轴线相对于所述第一轴线偏心，并且所述切削工具相对于所述第二轴线偏心；和

通过选择性地围绕所述第一轴线旋转式驱动所述第一托架和围绕所述第二轴线旋转式驱动所述第二托架，从而使所述工具沿着选定的路径运动。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一和第二托架在所述运动步骤期间被单独地旋转式驱动。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述第二托架支撑成与可围绕所述第一轴线转动的齿圈的内齿驱动式啮合的步骤，其中在所述运动步骤期间，通过选择性地驱动所述第一托架和所述齿圈来选择性地移动所述工具。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，可使所述工具运动以切削圆柱形孔，所述运动步骤包括：

旋转所述第一托架和所述齿圈，以将所述工具定位在距所述第一轴线等于所述圆柱形孔的半径的距离处；

使所述工具与所述工件对齐，从而使所述第一轴线与待切出的所述圆柱形孔的轴线重合；和

在以相同转速围绕所述第一轴线旋转所述第一托架和所述齿圈时，利用所述切削工具来切出所述圆柱形孔。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

将所述第一托架在一个方向上的旋转锁定住；和

在所述齿圈沿着与所述一个方向相反的方向旋转时将所述第一托架和所述齿圈的相对旋转锁定住。

25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在切削所述圆柱形孔的期间限制所述工件运动的步骤。

26.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述工件选择性地在相互正交的X轴、Y轴和Z轴坐标系中沿着X轴方向运动，所述工具可对大致位于所述X-Y平面内的工件表面进行切削。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过使所述工具在Y-Z平面内运动来将所述切削工具定位在初始切削位置。

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