专利名称：用于检测和防止电动工具中的扭转工况的控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型总体上涉及电动工具，并且更具体地涉及一种控制系 统，其用于检测和防止可能使操作者失去对工具的控制的扭转工况。
背景技术：
为了使例如钻孔机的电动工具能够有效快速地钻孔或驱动紧固件， 该工具必需能够传送大的转矩.在一些情形中，这种转矩大小可能让用
户难以控制.例如当在软钢中钻孔时，随着钻针开始从另一側的材料离 开，扭转程度可能会急剧地增大.在一些情形中，强烈的切割可能会使 得钻头停止转动，从而产生很强的反作用转矩，因为马达转动由操作员 握住的工具(而不是转动钻头)，所以，该反作用转矩施加到工具操作
员。这种现象可能会非常快速并突然地出现。在其它情形中，扭转工况 是一种较緩慢的现象，其中扭转程度緩慢增大直到操作员失去对工具的 控制。
从而，期望提供一种用于解决这种在电动工具中的变化工况的控制 系统。该控制系统应该是能够操作来检测可能会使搮作员失去对工具的 控制的扭转工况并且采取保护性搮作。特别感兴趣的是使得搮作员重新 获得对该工具的控制而不用终止或者重置该工具的搮作的保护性操作。
在此部分中的说明仅提供与本实用新型相关的背景信息，且可能不 构成现有技术。
实用新型内容
提供一种用于具有转轴的电动工具的控制方案.所述控制方案包
括监测所述工具总体上绕着所述轴的纵向轴线的转动运动；基于所述 工具的转动运动来检测所述工具的工况；以及在检测所述工具工况时对 施加到所述轴上的转矩进行控制，其中所述转矩与所迷工具绕所述轴的 纵向轴线的角位移成反比。
在本实用新型的另一方面，所述控制方案可将施加到所述轴上的转矩 脉冲化，从而使得脉冲之间的时间能够让搮作员重新获得对工具的控制. 随着搮作员重新获得对所述工具的控制，脉冲之间的时间可以减小。
本实用新型还提供一种适于应用在电动工具中的控制系统，其包括以 可驱动的方式耦联到转轴以把转动运动施加到所述转轴上的马达。其中，
所述控制系统进一步包括转速传感器，其设置在所述工具内并且能够操
作M测所述工具总体上绕所迷轴的纵向轴线的转动运动；以及控制器，
其电连接到所述转速传感器，所述控制器能够操作来根据由所述传感器 检测到的转动运动来检测所述工具的转动工况，并且在检测到所述工具 的转动工况时控制施加到所述转轴的转矩，其中所述转矩与所述工具绕
所述纵向轴线的角位移成反比关系。
从这里所提供的说明可以得知其它领域的应用。应当理解，本说明 书和具体的实施例仅是出于解释性的目的，并且不构成对本实用新型的 范围的限制.
图l是示例性钻孔机的示意困；
图2是示出了用于电动工具的示例性控制方案的流程图3是施加到工具主轴的转矩与工具的角位移之间关系的曲线；
困4是用于AC驱动电动工具的示例性控制电路的框图5是示出了另一用于电动工具的示例性控制方案的流程困；和
图6是示出了转矩相对于工具的角位移可如何地脉冲化的曲线。
这里示出的附困仅是用于解释的目的，并且决不构成对本实用新型 范围的限制.
具体实施方式
图l示出了具有转轴的示例性电动工具10.在此示例中，电动工具 是手持式钻孔机.尽管下面的说明是参照钻孔机进行的，但容易理解的 是，本实用新型的广义方面可应用于具有转轴的其它种类的电动工具，
例如电锤、圃锯、角磨机、螺丝刀以及抛光机。
一般地，钻孔机包括主轴12 (即转轴)，其以可驱动的方式輛联到 电动马达14。夹头16耦联在主轴12的一端；而电动马达14的驱动轴 18经由变速器22连接到主轴12的另 一端。这些部件封装在外壳20内。 工具的搮作通过使用嵌入在工具手柄中的搮作员致动的开关/控制器24 来控制。开关调节从电源26流向马达14的电流。尽管上面讨论了钻孔 机的几个主要部件，但容易理解的是，构造可搮作的钻孔机会需要本领 域公知的其它部件。
电动工具10还配置有控制系统30，用于检测和防止可能会导致搮 作员失去对工具的控制的扭转工况。控制系统30可包括嵌入在电动工 具10的手柄中的转速传感器32、电流传感器34和微控制器36。
在特定的操作工况下，电动工具10可在搮作员握持时转动。在钻 孔机中，转速传感器32配置成检测工具总体上绕着主轴12的纵向轴线 的转动运动.由于转动力的复杂性，可以理解，工具不太可能精确地绕 着主轴的轴线转动。转速传感器32又将指示任何转动运动的信号传递 到控制器36，用于进一步地评估。对于不同的电动工具，传感器可设置 在不同位置和/或配置成检测沿不同轴线的运动。
在优选实施方式中，转速传感器32的搮作原理基于科里奥利效应。 简单地说，转速传感器包括一个或者一对谐振质量块(resonating mass),当电动工具进行绕主轴轴线的转动运动时，谐振质量块将根据 科里奥利效应橫向移位，橫向移位与角速度成正比.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与转轴的转动轴线垂直的 平面内.然后，使用电容传感元件检测横向移位并产生指示该横向移位 的可用信号。示例性的转速传感器是可从Analog Devices购买的 ADXRS150或ADXRS300陀螺仪装置。其它种类的转动传感器，例如 角速度传感器、加速度计等也包括在本实用新型的范围内。
参照困2，微控制器评估工具的转动运动，以检测可能会使得操作 员失去对工具的控制的转动工况.在这个示例性的实施方式中，监测工 具的角位移与工具的角度起始位置之间的关系。在工具操作期间，角度 起始位置首先设定为零，如51所示，然后，基于由传感器检测到的转 动运动来监测角位移.相对位移是重要的。将初始状态设定为零只U
测相对位移的一种示例性的方式.此外，可连续地再评估并调节起始位 置以允许搮作员可以从该起始位置起控制运动.例如，起始位置可以通
过取平均值而周期性地更新；另外，从该更新的起始位置起的角位移如 下所述地进行评估。
当角位移落在笫一范围内时(例如从起始位置起小于20度)，则认 为操作员可控制工具，从而不需要保护性的操作。角位移可从转速传感 器所报告的角速度测量值推出，同样地，角位移可从通过其它类型的转 动传感器所报告的其它类型的测量值推出。
当角位移超过该笫一范围时，可以认为採作员正在失去对工具的控 制.在角位移的笫二范围内(例如在20度到90度之间)，控制方案启 动保护搮作，其使得操作员能够重新获得对工具的控制而不终止或者重 置工具的运行.例如，在57处以可允许搮作员重新获得对工具的控制 的方式控制施加到主轴上的转矩.具体地，施加到主轴的转矩与工具的 角位移成反比，如图3所示.随着角位移增大，转矩量相应地减小以希 望搮作员能够重新获得对工具的控制.同样地，随着操作员重新获得对 工具的控制(即角位移减小)，转矩量增大。在示例性实施方式中，从 20度角位移到卯度角位移，转矩大小线性地下降。这样，根据操作员 控制工具的能力而对工具的搮作进行自我限制。
如果角位移超过第二范围(例如大于90度)，则可以认为操作员已 经失去了对工具的控制。在此情形下，可以在55处通过控制方案启动 不同的保护操作，例如断开马达的电力或者终止工具的操作。然而，如 果工具转回到第一位移范围内而未超过第二范围的上限，则转矩大小重
置为100%。从而，操作员重新获得对工具的控制而不终止或者重置工 具的操作。
此外，这些不同范围能够结合成一个连续的状态，其中转矩和位移 之间是非线性的关系.需要理解的是，在上面参照困2只对本控制方案 的相关步骤进行了描述，但是可能需要其它软件执行指令来控制和管理 系统的整体操作。
不同的转动工况可以通过使用不同的标准来监测。例如，当工具的 角速度或者角加速度超过某限定阈值时，可以认为操作员正在失去对工 具的控制。这些参数可独立地评估或者结合工具的角位移一起评估。此
外，这些类型的参数可以结合来自于其它类型的传感器的参数一一包括
但不限于马达电流或者电流变化率、马达温度等---起评估。容易理
解的是，不同的控制方案可适于不同类型的工具。
下面参照困4对用于AC驱动的电动工具的示例性控制电珞的採作 进行进一步的描述。电源电路42耦联到AC电源线输入并提供DC电 压以运行微控制器36，。触发开关24，向微控制器36，提供触发信号，其 指示当触发器开关24，由电动工具搮作员手动搮作时该开关的位置或设 置。用于操作马达14，的驱动电流由三端双向可控硅开关(triac)驱动 电路46控制。三端双向可控硅开关驱动电路46又由微控制器36，所提 供的信号控制.
还向微te制器36，提供来自于电流检测电路48的信号。电流检测电 路48辆联到三端双向可控硅开关驱动电路46，并提供指示三端双向可 控硅开关驱动电路46的导电状态的信号。如果三端双向可控硅开关驱 动电路46出于某种原因未响应于微控制器36，的控制信号而接通，则 该情形由电流检测电路48检测到。
电流传感器34，串联地连接到三端双向可控硅开关驱动电路46和马 达14，。在示例性的实施方式中，电流传感器34，可以是低电阻高瓦数的 电阻器.测重流经电流传感器34，的电压降低，以指示实际的瞬时马达 电流.将瞬时马达电流提供到平均电流测量电路46，其又将平均电流值 提供给微控制器36，。
在搮作中，触发开关24，将相对于开关设置成比例变化的触发信号 提供给徵控制器36，。基于此触发信号，微控制器36，产生控制信号，其 使得三端双向可控硅开关驱动电路46导通，从而允许马达14，获取电流。 马达转矩大致与马达所获取的电流成比例，并且所获取的电流由从微控 制器传送到三端双向可控硅开关驱动电路的控制信号所控制。因此，微 控制器能够根据上述控制方案控制由马达施加的转矩.
用于控制施加到主轴上的转矩的其它技术也落在本实用新型的范 围内.例如，经常通过脉冲宽度调制来控制DC搮作马达，其中调制的 占空比与马达的速度成比例，从而与由马达施加到主轴上的转矩成比 例。在此实施例中，微控制器可配置成根据上述控制方案来控制马达控 制信号的占空比。
可选地，电源也可配置有置于马达和主轴之间的比例转矩传递装 置。在此实施例中，比例转矩传递装置可由微控制器控制。比例转矩传
递装置可采私磁流变流体离合器的形式，其能够与流经磁场感应线围的 电流成比例地改变转矩输出。其还可采取摩擦片、锥形离合器或巻绕弹 脊离合器的形式，它们可基于将摩擦材料保持在一起从而传递转矩的预 栽荷而具有可变的滑移等级.在此情形下，预栽荷能够通过马达、螺线 管或其它类型的机电致动器来驱动导引螺杆而改变，该导引螺杆支撑弹 黃的接地端。其它类型的转矩传递装置也包括在本实用新型的范围内。
在本实用新型的另一方面，控制方案可在检测到特定的转动工况时
将施加到主轴的转矩脉冲化，如图5和6所示。参照困5，在63处再次 相对于工具的角度起始位置监测工具的角位移。当角位移落在笫一范围
内时(例如从起始位置起小于20度)，则认为操作员可控制该工具，从 而不需要保护操作。
当角位移超过此第一范围时，可认为操作员正在失去对工具的控 制。在角位移的笫二范围内，控制方案在67处将施加到主轴的转矩脉 冲化，从而使得脉冲之间的时间(例如0.1-l.O秒)允许操作员重新获 得对工具的控制。脉冲之间的时间将与角位移的量相关，如图6所示。 当角位移增大时，脉冲之间的时间将增大.类似地，当角位移减小时， 脉冲之间的时间将减少。上述用于控制施加到主轴的转矩的其它技术也 适于此控制方案.
如果角位移超过第二范围(例如大于90度)，则可以认为搮作员已 经失去对工具的控制。在此情形下，可在65处由控制方案启动不同的 保护搮作，例如断开马达的电力或者终止工具的操作.然而，如果工具 朝向起始角度位置回转而未超过第二范围的上限，则可以减小脉冲之间 的时间，由此使得工具恢复到正常运行的工况而不终止或者重置工具的 操作。这里公开了前述系统，其在确定了失控状态时完全切断马达。这 需要搮作员切断工具的搮作并重启。重新获得控制的示例可以是改善的 平衡或姿势，但是最普通的是将另一个手放置在工具上以控制转动。通 过使得转矩不总是为零，搮作员钻孔的操作时间减少.还能够将工具反 过来以帮助减少工具的转动部件一一例如马达电枢和传动机构一一中 所储存的能重的飞轮效应.
上述控制方案可与操作员的力气和能力相适应.如果操作员只能够
控制500磅的转矩、但是工具能够传递700磅的转矩，则在工具从其起 始角度位置转过一定的角位移后，工具的转矩将与搮作员的能力相匹 配。如果希望更大的转矩，则搮作员能够通过将工具移得更为靠近转动 起始位置而增大转矩。上述说明只是解释性的，并且不构成对本实用新 型、应用或使用的限制。
权利要求1.一种适于应用在电动工具中的控制系统，包括:马达，其以可驱动的方式耦联到转轴以把转动运动施加到所述转轴上；其特征在于，所述控制系统进一步包括:转速传感器，其设置在所述工具内并且能够操作来检测所述工具总体上绕所述轴的纵向轴线的转动运动；以及控制器，其电连接到所述转速传感器，所述控制器能够操作来根据由所述传感器检测到的转动运动来检测所述工具的转动工况，并且在检测到所述工具的转动工况时控制施加到所述转轴的转矩，其中所述转矩与所述工具绕所述纵向轴线的角位移成反比关系。
2. 如权利要求l所述的控制系统，其特征在于，所述控制器确定 所述工具相对于起始角度位置的角位移，并当所述角位移超过阈值时控 制所述转矩。
3. 如权利要求l所述的控制系统，其特征在于，当所述工具的角 位移回复到所述工具起始角度位置的角度范围内时，所述控制器停止控 制与所述位移成反比的转矩。
4. 如权利要求l所述的控制系统，其特征在于，所述控制器通过 控制所述马达的转速来控制施加到所述转轴的转矩。
5. 如权利要求l所述的控制系统，其特征在于，还包括置于所述 马达和所述转轴之间的比例转矩传递装置，其中所述控制器通过所述比 例转矩传递装置来控制施加到所述转轴的转矩。
6. 如权利要求l所述的控制系统，其特征在于，具有谐振质量块指示所检测到的橫向位移的信号，所述横向位移与所述电动工具绕转轴 轴线转动的转速成正比。
专利摘要一种适于应用在电动工具中的控制系统，所述控制系统包括马达，其以可驱动的方式耦联到转轴以把转动运动施加到所述转轴上；转速传感器，其设置在所述工具内并且能够操作来检测所述工具总体上绕所述轴的纵向轴线的转动运动；以及控制器，其电连接到所述转速传感器，所述控制器能够操作来根据由所述传感器检测到的转动运动来检测所述工具的转动工况，并且在检测到所述工具的转动工况时对施加到所述转轴的转矩进行控制，其中所述转矩与所述工具绕所述纵向轴线的角位移成反比关系。
文档编号B25B23/14GK201199679SQ200720150899
公开日2009年2月25日 申请日期2007年7月12日 优先权日2006年7月13日
发明者克雷格·A·谢尔, 迈克尔·K·福斯特 申请人:百得有限公司