CN201159251Y - 用于具有旋转轴的动力工具的控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于动力工具的控制系统。该控制系统包括：具有谐振质量块的旋转速率传感器和电连接到旋转速率传感器的控制器。旋转速率传感器检测谐振质量块的横向位移并产生指示所检测到横向位移的信号，使得横向位移与动力工具绕旋转轴的轴线旋转的旋转速度成正比。基于所产生的信号，控制器启动保护操作以避免动力工具进一步的不希望的旋转。动力工具采用的控制方案可针对不同的工具状态启动不同的保护操作。

Description

用于具有旋转轴的动力工具的控制器

相关申请的交叉引用

本申请要求2004年10月20日提交的美国临时申请No.60/620,283和2005年4月28日提交的美国临时申请No.60/675,692的权益。上述申请的公开内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及一种动力工具的安全机构，尤其是涉及一种具有检测动力工具中反冲情形开始的旋转速率传感器的控制系统。

背景技术

动力工具通常采用马达通过心轴向工具施加扭矩。在电钻的情况下，马达心轴通过一系列减速齿轮耦联到卡盘，而卡盘保持钻头或其它切割/研磨工具，例如孔锯、砂轮等。动力式螺丝刀和大型电锤以相似的原理工作。在这些情况的每一种情况中，减速齿轮或齿轮系的功能都是减小工具的转速同时增加转动扭矩。

动力刳刨机稍有不同。手持刳刨机的切割工具通常直接耦联到马达的心轴。在这种情况下，没有齿轮减速，使用马达的全转速来高速旋转刳刨机的刀头。往复式锯和竖锯使用了另一种类型的将马达心轴的旋转运动转化为往复运动的齿轮系。

一般而言，所有这些动力工具可能突然遭遇紧急的反冲情形，这时，由于工件硬度以及工件联结中的局部变化、由于毛刺产生的工具阻碍等，输出扭矩迅速升高。例如，当用电钻钻孔时，某些工件将在工件的工具出口侧产生毛刺。这些毛刺会接合钻头的槽，从而在钻意图脱离时导致扭矩迅速增加。在有些情况下，毛刺会阻挡钻头旋转，从而由于马达转动操作者握紧的工具(而非转动钻头)而导致很强的反作用扭矩施加到工具操作者。如果操作者站在梯子上和/或将工具保持在其头上方，这种反作用可能带来问题。电锯也存在相关的现象。不管涉及的特定动力工具如何也不管导致该情形的特定情况如何，下文总体上将这些情形称之为反冲情形。

因此，期望提供一种改进的在动力工具中检测此类反冲情形开始的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的在动力工具中检测反冲情形开始的装置。

本发明的一个方面提供了一种用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其包括：利用设置在动力工具中的旋转运动传感器监测动力工具绕旋转轴的纵向轴线的旋转运动的装置；利用设置在动力工具中的控制器并基于来自旋转运动传感器的输入来确定动力工具的旋转运动的装置；基于由控制器确定的旋转运动启动第一保护操作的装置；和基于由控制器确定的旋转运动启动第二保护操作的装置，其中第一保护操作不同于第二保护操作。

本发明的另一方面提供了一种用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其包括：利用设置在动力工具中的旋转运动传感器确定动力工具绕旋转轴的纵向轴线的旋转运动的装置；利用设置在动力工具中的控制器并基于从旋转运动传感器输入的旋转运动来确定动力工具承受的绕工具的纵向轴线的旋转能的装置；以及在旋转能超出阈值时启动与动力工具相关的保护操作的装置。

本发明的又一方面提供了一种用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其包括：监测动力工具绕旋转轴的纵向轴线的旋转运动的装置；利用所述监测动力工具绕旋转轴的纵向轴线的旋转运动的装置所监测到的旋转运动确定动力工具绕旋转轴的轴线的角位移的装置；利用所述确定动力工具绕旋转轴的轴线的角位移的装置所确定的角位移在角位移超出第一阈值时启动第一保护操作的装置；和利用所述确定动力工具绕旋转轴的轴线的角位移的装置所确定的角位移在角位移超出大于第一阈值的第二阈值时启动第二保护操作的装置，其中第一保护操作不同于第二保护操作。

在本发明一个方面中，提供了一种用于动力工具的控制系统。所述控制系统包括：具有谐振质量块的旋转速率传感器和电连接到旋转速率传感器的控制器。旋转速率传感器检测谐振质量块的横向位移并产生指示所检测到的横向位移的信号，使得该横向位移与动力工具绕旋转轴的轴线旋转的旋转速度成正比。基于所产生的信号，控制器启动保护操作以避免动力工具不希望的旋转。

在本发明另一方面中，动力工具采用的控制方案可针对不同的工具状态启动不同的保护操作。

在本发明的不同方面中，控制方案可基于来自两个不同传感器的输入启动保护操作。

在本发明又一方面中，动力工具采用的控制方案可基于工具所承受的旋转能启动保护操作。

本发明的有益效果是：本发明的控制器能够通过诸如旋转位移和旋转能之类的方式精确地检测危险工具状态，并且能够针对不同的工具状态启用不同的保护操作。比如，控制器可以基于从旋转速率传感器接收的信号确定反冲情形的开始。例如，当旋转速率传感器的信号水平超出某些经验推导的阈值时，表明为反冲情形。当其出现时，控制器将启动保护操作以期避免和/或最小化动力工具的任何不希望的旋转。

为了更全面理解本发明、其目的和优点，可参照以下的说明书和附图。

附图说明

图1是根据本发明配置的示例性电锤的纵向剖视图；

图2是根据本发明的示例性控制系统的简化框图；

图3是流程图，图示了根据本发明的用于确定反冲情形开始的示例性方法；

图4A和4B是流程图，图示了根据本发明的基于角位移确定反冲情形的示例性方法；和

图5是流程图，图示了根据本发明的基于来自两个不同传感器的输入确定反冲情形的示例性方法。

具体实施方式

图1图示了具有旋转轴的示例性动力工具10。在该示例中，动力工具为手持式电锤。尽管参照电锤给出了以下说明，但是容易理解的是，本发明的更广泛的方面适用于其它类型的具有旋转轴的动力工具例如钻孔机。

一般，电锤包括可驱动地耦联到电动马达14的心轴12(即，旋转轴)。卡盘16耦联在心轴12的一端；而电动马达14的驱动轴18经由变速器22连接到心轴12的另一端。这些构件封入壳体18内。通过使用嵌在工具手柄中的操作者致动的开关24来控制工具的操作。开关调节从电源26到马达14的电流。动力工具还可包括温度传感器27。尽管上面讨论了电锤的一些主要构件，但是容易理解的是，构造可操作的电锤也需要本领域公知的其他构件。

根据本发明，动力工具10进一步配置有检测反冲情形的控制系统30。控制系统30包括嵌在动力工具10的手柄中的微控制器36、旋转速率传感器32和电流传感器34。在某些情况下，反冲情形的开始将导致动力工具10在操作者的握持中旋转。旋转速率传感器32可检测这种旋转运动。

在优选实施例中，旋转速率传感器32的工作原理基于科里奥利(Coriolis)效应。简言之，旋转速率传感器包括谐振质量块。当动力工具绕心轴的轴线进行旋转运动时，谐振质量块将根据科里奥利效应横向位移，这种横向位移与角速率成正比。值得注意的是，质量块的谐振运动和质量块的横向移动发生在垂直于旋转轴的旋转轴线定向的平面内。然后使用电容传感元件检测横向位移并产生指示横向位移的可用信号。示例性的旋转速率传感器为可从Analog Devices以商业方式获得的ADXRS150或ASXRS300陀螺仪装置。

然后，微控制器36基于从旋转速率传感器32接收的信号确定反冲情形的开始。例如，当旋转速率传感器的信号水平超出某些经验推导的阈值时，表明为反冲情形。当其出现时，微控制器36将启动保护操作以期避免和/或最小化动力工具的任何不希望的旋转。容易理解的是，用于评定从旋转传感器接收的信号的其它技术也在本发明的范围内。

下面进一步参照图2描述示例性控制电路40的操作。电源电路29耦联到交流电源线输入端并且供应直流电压来操作微控制器36’。触发开关24’为微控制器36’提供触发信号。该触发信号表明在触发开关24’由动力工具操作者手动操作时触发开关24’的位置或设定。用于操作马达14’的驱动电流通过三端双向可控硅开关驱动电路42控制。三端双向可控硅开关驱动电路42又通过微控制器36’提供的信号进行控制。如果需要，控制系统30’可包括复位电路44，复位电路44在启动时使得微控制器36’被重新初始化。

电流传感器34’与三端双向可控硅开关驱动电路42和马达14’串联。在示例性实施例中，电流传感器34’可以为低电阻高瓦数的电阻器。测量经过电流传感器34’的电压降作为实际瞬时马达电流的指示。瞬时马达电流供给到平均电流测量电路46，该电路又将平均电流值供给到微控制器36’。微控制器36’可使用平均电流来评估反冲情形的开始。

来自检流器电路48的信号也供给到微控制器36’。检流器电路48耦联到三端双向可控硅开关驱动电路42并且提供指示三端双向可控硅开关驱动电路42的导电状态的信号。如果由于某些原因，三端双向可控硅开关驱动电路42没能响应微控制器36’的控制信号而接通，则这种情形由检流器电路48检测。

操作时，触发开关24’将相对于开关设定成比例变化的触发信号提供到微控制器36’。基于该触发信号，微控制器36’产生使得三端双向可控硅开关驱动电路42导通的控制信号，从而允许马达14’获取电流。该电流使得马达14’转动，从而电流大致与马达的扭矩成比例。在操作过程中，电流传感器34’监测马达的电流并且将马达电流报告给微控制器36’。基于最大电流，微控制器36’可确定和/或确认反冲情形的开始，如将在下文进一步描述的。

在检测到反冲情形开始时，微控制器36’可以脉冲模式操作马达14’。在脉冲模式期间，马达的电流以预定的接通时间、预定的频率脉动。在一个示例性实施例中，电流脉冲串设计为使得操作者可恢复对扭转工具的控制。可替代地，电流脉冲串产生扭矩脉冲，该扭矩脉冲的峰值扭矩大于心轴12输出的平均扭矩。这样，扭矩脉冲可以允许工具10突破导致紧急反冲情形的毛刺或工件限制因素。关于该保护操作的进一步的细节可见美国专利No.6,479,958，该专利在此引入作为参考。

脉冲模式是一种示例性的保护操作，其可在检测到反冲情形时启动。其它的示例性保护操作可包括(但不限于)断开马达14’的电源、制动心轴12、制动马达14’、将马达14’与心轴12脱离和减小设置在马达14’和心轴12之间的离合器的打滑扭矩。取决于工具10的尺寸和方向，可启动一个或多个这样的保护操作，以防止工具10不希望有的旋转。

图3图示了用于确定反冲情形开始的示例性方法。首先，在步骤52检查操作者开关以确定工具是否在操作。如果开关没有闭合，则动力不会供给到马达，如步骤53所示。在这种情况下，不需要监测反冲情形。相反，如果开关被闭合，则动力供给到马达，如步骤54所示。

在工具操作期间，在步骤56基于旋转速率传感器的信号监测工具的旋转运动。当工具的旋转速率超出某些经验推导的阈值(如步骤57所示)时，这表明反冲情形开始；否则，处理控制返回到算法的开始处。除了工具绕其心轴轴线的旋转速率之外，还可以想到使用可从传感器信号推导出的旋转位移、旋转加速度或这些参数的某些结合来确定反冲情形的开始。

在启动某保护操作之前，微控制器还在步骤58评估马达的最大电流。具体地，测量马达电流的改变率。当改变率为正并且超出某预定阈值时，则在步骤60启动一种或多种保护操作。如果改变率不为正或者改变率没有超出阈值，则处理控制返回到算法的开始处。在这种情况下，最大电流的突然改变可选地用于确认反冲情形的开始。可以想到以相似的方式使用来自其他传感器(例如温度传感器)的输入。

在本发明另一方面中，动力工具10采用的控制方案可针对不同的工具状态启动不同的保护操作。例如，工具经受的角位移量可指示不同的保护操作。当角位移在第一范围(例如，小于31°)内时，认为操作者可控制工具并且因而不需要保护操作。当角位移超出该第一范围时，认为工具遭遇了反冲情形并且因此需要某些保护操作。在角位移的第二范围(例如，30°到90°之间)中，控制方案可启动脉冲模式以期突破导致紧急反冲情形的限制因素。相反，当角位移超出第二范围(例如，大于90°)时，认为操作者已经失去了对工具的控制。在这种情况下，根据控制方案会启动不同的保护操作，例如断开马达的动力。

取决于控制方案的复杂性，可针对给定的动力工具限定三个或多个位移范围。在一个范围内，可基于角位移或诸如角加速度、角速度、马达电流、马达电流改变率、马达温度、开关温度等的参数的组合启动保护操作。容易理解的是，对于不同的控制方案和/或不同类型的工具，可改变范围的数量和大小。还可以想到，基于其它参数范围(例如，角速度范围)启动不同的保护操作。同样，一种或多种保护操作可与不同的范围(即，工具状态)相关联。

下面，图4A和4B进一步描述了基于动力工具的角位移确定反冲情形开始的示例性方法。在工具操作期间，监测相对于起点(θ₀)的角位移。在步骤61，该起点被初始化为零。然后，测量工具所有随后的相对于该基准的角位移。

然后，在步骤62监测工具的角位移。在该示例性实施例中，相对于基准值(θ₀)测量并且从旋转速率传感器提供的角位移随时间的变化率或角速度(ω_TOOL)导出角位移。尽管上述的旋转速率传感器目前优选用于确定工具的角位移，但是容易理解的是，本发明的此附加方面不限于这种类型的传感器。相反，角位移可从不同类型的旋转速率传感器、加速度传感器或用于检测工具旋转位移的一些其它方式得出。

基于上面提到的角位移量可启动不同的保护操作。在步骤64和68评定角位移。当角位移超出某上阈值(θ_{zone2_min})时，则在步骤66启动第一保护操作。在该示例中，马达的动力被断开，从而终止了工具的操作。

当角位移超出某下阈值(θ_{zone1_min})时，则在步骤70启动不同的保护操作，例如脉冲供应马达电流。在该示例性实施例中，角速度的瞬时测量也必须启动脉冲模式之前超出某最小阈值，如在步骤69所示。如果这些标准一个都不满足，则不采取保护动作，由控制方案继续监测工具的操作状态。

在脉冲模式期间，控制方案继续监测工具的操作状态。如在步骤72所示，可能监测到危险状态。例如，为了防止马达烧坏，可监测马达电流。如果马达电流超出某预定阈值，则在步骤73断开马达的动力。为了保护工具操作者，也可以监测角位移。如果角位移超出指示失去控制的阈值，则也断开马达的动力。容易理解的是，可监测其它类型的危险状态。

另外，脉冲模式仅维持短期时间。在步骤71启动计时器，脉冲模式持续到步骤76的计时器期满为止，如步骤76所示。在该时间期间，控制方案还可以监测导致反冲情形的限制因素是否已经被克服，如步骤74所示。如果限制因素被克服，则在步骤75停止脉冲模式。当计时器期满而仍然没有克服限制因素时，则在步骤77断开马达的动力。

下面，图5进一步描述了基于来自至少两个传感器的输入确定反冲情形开始的示例性方法。首先，在步骤82检查操作者开关以确定工具是否操作。如果开关没有闭合，则动力不供应到马达，如步骤83所示。在这种情况下，不需要监测反冲情形。相反，如果开关被闭合，则动力供给到马达，如步骤84所示。

在工具操作期间，在步骤86基于旋转速率传感器的信号监测工具的旋转运动。当工具的旋转速率超出某经验推导的阈值(如步骤87所示)时，这表明反冲情形开始；否则，处理控制返回到算法的开始处。除了工具绕其心轴轴线的旋转速率之外，还可以想到使用可从传感器信号推导出的旋转位移、旋转加速度或这些参数的某些结合来确定反冲情形的开始。

在启动某保护操作之前，微控制器还评估马达的最大电流，如步骤88所示。具体地，测量马达电流的改变率。当改变率为正并且超出某预定阈值时，则在步骤90启动一种或多种保护操作。如果改变率不为正或者改变率没有超出阈值，则处理控制返回到算法的开始处。在这种情况下，最大电流的突然改变可用于确认反冲情形的开始。尽管参照旋转速率传感器和电流传感器提供了上述说明，但是容易理解的是，本发明的更广泛的方面包含基于其它类型的传感器的输入做出这种确定的情况。

反冲情形的确定可基于其它类型的标准。例如，可基于动力工具经受的旋转能评定反冲情形。在该示例中，旋转能定义为E_{ω_TOOL}＝(I)(ω_TOOL)²，其中I为惯性矩，ω_TOOL为角速度。对于该计算，角位移率可通过旋转速率传感器测量；而工具惯性矩(I_TOOL)可基于动力工具的质量块特性(例如，质量、旋转惯性和重心位置)以及介于重心位置与心轴轴线之间的距离测量值预先编程到控制器中。基于E_{ω_TOOL}启动保护操作是所期望的，这是因为能量状态不是工具特定的并因此可应用于各种防反冲应用的缘故。用于确定反冲情形的其它标准也在本发明的更广泛的方面内。

尽管本发明已经以其目前的优选形式进行了描述，但是应该理解的是，在不偏离所附权利要求阐述的发明精神的情况下可对本发明做出变型。

Claims (19)

1.一种用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于包括：

利用设置在动力工具中的旋转运动传感器监测动力工具绕旋转轴的纵向轴线的旋转运动的装置；

利用设置在动力工具中的控制器并基于来自旋转运动传感器的输入来确定动力工具的旋转运动的装置；

基于由控制器确定的旋转运动启动第一保护操作的装置；和

基于由控制器确定的旋转运动启动第二保护操作的装置，其中第一保护操作不同于第二保护操作。

2.如权利要求1所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，监测旋转运动的装置进一步包括使用基于科里奥利加速度测量旋转速度的旋转运动传感器的装置。

3.如权利要求1所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，确定工具的旋转运动的装置进一步包括确定动力工具绕旋转轴的轴线的角位移的装置。

4.如权利要求3所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，进一步包括在角位移超出第一阈值时使动力工具的马达脉动并在角位移超出大于第一阈值的第二阈值时断开马达的动力的装置。

5.如权利要求1所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，确定工具的旋转运动的装置进一步包括确定动力工具绕旋转轴的轴线的角速度的装置。

6.如权利要求5所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，进一步包括在角速度超出第一阈值时使动力工具的马达脉动并在角速度超出大于第一阈值的第二阈值时断开马达的动力的装置。

7.如权利要求1所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，保护操作选自以下方式：使动力工具的马达脉动；制动旋转轴；制动马达；使马达与旋转轴脱离；以及减小设置在马达和旋转轴之间的离合器的打滑扭矩。

8.一种用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于包括：

利用设置在动力工具中的旋转运动传感器确定动力工具绕旋转轴的纵向轴线的旋转运动的装置；

利用设置在动力工具中的控制器并基于从旋转运动传感器输入的旋转运动来确定动力工具承受的绕工具的纵向轴线的旋转能的装置；以及

在旋转能超出阈值时启动与动力工具相关的保护操作的装置。

9.如权利要求8所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，监测旋转运动的装置进一步包括使用设置在动力工具手柄中的旋转加速度传感器的装置。

10.如权利要求8所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，监测旋转运动的装置进一步包括使用基于科里奥利加速度测量旋转速度的旋转运动传感器的装置。

11.如权利要求8所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，确定旋转能的装置是根据E_{ω_TOOL}＝(I)(ω_TOOL)²计算的，其中ω_TOOL为旋转运动，I为惯性矩。

12.如权利要求8所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，保护操作选自以下方式：使动力工具的马达脉动；制动旋转轴；制动马达；使马达与旋转轴脱离；以及减小设置在马达和旋转轴之间的离合器的打滑扭矩。

13.一种用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于包括：

监测动力工具绕旋转轴的纵向轴线的旋转运动的装置；

利用所述监测动力工具绕旋转轴的纵向轴线的旋转运动的装置所监测到的旋转运动确定动力工具绕旋转轴的轴线的角位移的装置；

利用所述确定动力工具绕旋转轴的轴线的角位移的装置所确定的角位移在角位移超出第一阈值时启动第一保护操作的装置；和

利用所述确定动力工具绕旋转轴的轴线的角位移的装置所确定的角位移在角位移超出大于第一阈值的第二阈值时启动第二保护操作的装置，其中第一保护操作不同于第二保护操作。

14.如权利要求13所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，监测旋转运动的装置进一步包括使用基于科里奥利加速度测量旋转速度的旋转运动传感器的装置。

15.如权利要求13所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，进一步包括在角位移超出第一阈值时使动力工具的马达脉动的装置。

16.如权利要求13所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，进一步包括在角位移超出大于第一阈值的第二阈值时断开马达的动力的装置。

17.如权利要求1所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，进一步包括确定动力工具绕旋转轴的轴线的角速度的装置。

18.如权利要求17所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，进一步包括在角速度超出第一速度阈值时使动力工具的马达脉动并在角速度超出大于第一阈值的第二速度阈值时断开马达的动力的装置。

19.如权利要求13所述的用于具有旋转轴的动力工具的控制器，其特征在于，保护操作选自以下方式：使动力工具的马达脉动；制动旋转轴；制动马达；使马达与旋转轴脱离；以及减小设置在马达和旋转轴之间的离合器的打滑扭矩。

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