CN107000087A - 基于动力工具中的刀片速度进行回踢检测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于检测和减缓锯中的回踢的方法包括识别锯片的运行平均速度（RPM）、在相对于运行平均速度的给定时间样本下的速度、从一个速度样本到先前速度样本的速度的百分比变化以及基于锯片的当前速度的平均速度的百分比变化。如果来自样本的所识别的速度曲线表明回踢即将来临，则锯识别到即将来临的回踢事件并且从锯马达移除电力以减缓回踢。

Description

基于动力工具中的刀片速度进行回踢检测的系统和方法

对相关申请的交叉引用

本申请请求Padmanabhan等人于2014年9月25日提交的标题为“System And MethodFor Kickback Detection Based On Blade Speed In A Power Tool”的序列号为62/055,147的美国临时申请的优先权，其公开内容以引用的方式整体地并入本文中。

技术领域

本公开大体上涉及动力工具，并且更具体地，涉及在圆锯或者其它动力工具的操作期间检测回踢的系统和方法。

背景技术

通常使用尤其是动力锯和圆锯来切割工件，例如，木材。在一些操作条件下，动力锯会遭遇回踢（kickback）。对于手持式动力锯，当锯从工件物理地弹回而不是切穿工件时，发生回踢。在台锯中，当工件从锯片弹回而不是被锯片切断时，发生回踢。现有的锯包括劈刀、导轨和帮助减少回踢发生的其它防护件。然而，这些锯无法检测到何时发生回踢，且因此无法实施不需要操作者人为介入的步骤，例如，接合刀片制动装置或者刀片下降装置，以减少或者消除回踢。因此，使得能够在不需要操作者介入的情况下在操作期间检测且减缓回踢的系统和方法将是有利的。

发明内容

提供了一种在圆锯或者其它动力工具中检测且减缓回踢的非破坏性方法。该方法不需要来自操作者的人工介入。响应于检测到回踢事件，即使操作者继续拉动启动触发器来操作锯，圆锯也会自主地禁用该锯马达。

圆锯检测到回踢事件并且禁用该工具以减缓回踢的影响。本文描述的实施例适用于各种圆锯变型以及会遭遇回踢的其它高速切割工具。

附图说明

图1是可以配置来检测回踢并且对回踢做出响应的锯的实施例的透视图。

图2是配置来检测回踢并且对回踢做出响应的锯（例如，图1的锯）的示意图。

图3A和图3B描绘了用于在锯的操作期间检测回踢的过程的框图，该方法可以实施在图1和图2的锯中。

图4是描绘了在回踢事件期间的锯片旋转速率变化的图表。

具体实施方式

为了帮助对本文描述的实施例的原理的理解的目的，现在参照以下书面说明书中的附图和说明。这些参照不旨在限制本主题的范围。本专利还涵盖本文所属领域的普通技术人员通常会想到的对所说明的实施例的任何更改和修改以及对所描述的实施例的原理的进一步应用。

如本文使用的，用于描述动力工具中的锯片或其它旋转器具的术语“速度”是指该锯片或器具的旋转速率。锯片的旋转速率通常以每分钟转数（RPM）来表述，虽然锯片的旋转速率的任何其它衡量标准也适于描述锯片的速度。

如下面描述的，锯中的回踢检测过程识别回踢事件的发生，使锯能禁用马达或者接合刀片制动装置，以降低或者减缓回踢的影响。在下面的论述中，对实施动作或功能的回踢检测过程的引用是指操作控制器（例如，数字控制装置），涉及执行所存储的程序指令，该程序指令配置来引起控制器结合锯中的其它部件来实施该功能或动作。

图1描绘了锯100的示例，该锯100配置来实施下面所描述的回踢检测过程。如图1所描绘的，锯100可以包括台锯，该台锯包括基座102，该基座102具有台面106。台面106限定刀片槽110，锯片104延伸通过该刀片槽110。用于驱动锯片104的马达108（图2）位于基座102以及定位组件（未示出）也位于基座内，该定位组件使锯片104能够相对于基座竖直地运动以改变刀片在台面上方的高度。定位组件还可以配置成使刀片枢转以改变刀片相对于台面的斜角。例如，可以通过使用设置在基座102一侧上的轮机构114来调节高度和斜角。锯100可以包括其它特征，例如，劈刀116和锯护栏（未示出）。

如图2所描绘的，锯100包括旋转刀片104、马达108、检测刀片104的每分钟转数（RPM）或者其它合适的旋转速度的转速传感器112、数字控制器128、手动锯控制触发器136和马达禁用开关140。锯100配置成通过使用电力来操作，该电力接收自电力源132，例如，电源插座、电池或其它合适的电力源。例如，RPM传感器112是霍尔效应传感器、旋转编码器或测量刀片104的实际旋转速率的任何其它合适的传感器。马达108是接收来自电源132的电力的电马达，在一些常见实施例中，该电源132是电池或至公用电网的连接。马达108使驱动轴旋转，该驱动轴与刀片104接合以使刀片104在锯100的操作期间进行旋转。

例如，数字控制器128是微控制器、微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）或配置来检测锯100中的回踢的其它合适的数字处理装置。控制器128包括或可操作地连接至存储器装置，该存储器装置存储在控制锯和实施各种功能时使用的编程指令和锯数据。控制器128的功能之一是实施用于检测锯片的回踢事件的过程或算法，并且在检测到回踢事件时启动回踢减缓措施，下面将对此进行更加详细的解释。回踢减缓措施能够包括：响应于检测到回踢事件，操作禁用开关140以使马达从电源断开。锯100还可以配备有响应于检测到回踢事件来启动或接合的各种其它回踢减缓机构。例如，锯100可以包括锯片制动机构120或锯片止动机构，其配置成在被启动时迅速地停止刀片的旋转。锯100可以包括刀片下降机构126，该刀片下降机构126在被启动时使得锯片能够立刻下降到台面的上表面下方。

为了检测回踢事件，将控制器128配置来监控锯片的旋转速度。为了监控刀片的旋转速度，控制器128以预定的采样速率对来自RPM传感器112的输出信号进行采样，并且对样本进行处理以确定旋转速度。控制器被配置来维持样本所表示的旋转速度的移动平均值。例如，在对输出信号进行每次采样之后，即，对每个采样周期，控制器确定当前平均刀片速度，该当前平均刀片速度对应于输出信号的当前样本与来自预定数量的先前采样周期的旋转速度进行平均所表示的旋转速度。控制器将当前平均刀片速度与先前平均刀片速度（即，先前采样周期的当前平均刀片速度）进行比较，并且配置来将该比较作为用于检测回踢事件的基础。

在回踢事件期间，由于锯片变成卡入工件中，在短时间内减小了刀片旋转速度。完整的回踢事件可以持续大致250毫秒，所以对于检测且然后减缓回踢的时间量有限。如果从回踢事件开始在大致100毫秒内未启动回踢减缓措施，则减缓措施可能会过迟以至于不具有任何效果。因此，对采样速率进行选择以使得能够检测到回踢事件，从而使得能够足够快速地启动减缓措施，例如，在从回踢事件开始起接近100毫秒内。出于这种考虑，在一个实施例中，控制器128配置成以每秒1000个样本的速率或者每毫秒1个样本的速率对刀片的旋转速率进行采样。至少部分地根据RPM传感器的类型和用于控制器的硬件的类型，所使用的采样速率可以更快或更慢。用于计算平均刀片速度的样本的数量不应该过大，从而使得旋转速度的变化对平均值的影响较小或者没有影响，而且其也不应该过小，从而使得平均值在各周期间极大地变化，使得表示回踢事件的旋转速度变化难以识别。在一个实施例中，当前平均刀片速度是最后400至500个样本（即，400毫秒至500毫秒的样本的价值）的平均值，但是可以使用任何合适数量的样本来计算平均值。

在一个实施例中，控制器128配置成基于在当前平均刀片速度与先前平均刀片速度之间的百分比差值来检测回踢事件。例如，控制器128可以配置成在当前平均刀片速度与先前平均刀片速度之间的百分比差值大于预定百分比差值阈值时检测到回踢事件。所使用的百分比差值阈值至少部分地取决于用于计算平均值的样本的数量。在一个实施例中，预定百分比差值阈值为至少0.003%。

控制器128可以配置成将百分比差值确定作为可能的回踢事件的一个指标。除了计算在当前平均刀片速度与先前平均刀片速度之间的百分比差值之外，控制器还可以配置成也确定当前样本的速度值相对于先前样本之间的百分比差值（即，在当前时刻与前1毫秒之间）。在本实施例中，控制器128可以配置成，在当前平均刀片速度与先前平均刀片速度之间的百分比差值大于阈值并且在当前样本的速度值相对于先前样本之间的百分比差值大于阈值时，识别出回踢事件。例如，控制器128可以配置成，在当前平均刀片速度与先前平均刀片速度之间的百分比差值大于0.003%，并且当前样本的速度值相对于先前样本的速度值之间的百分比差值大于0时，识别出回踢事件。

控制器128可以配置成在检测回踢事件时考虑到其它度量。例如，控制器128还可以配置来将当前刀片速度样本与当前平均刀片速度的预定百分比进行比较。在一个实施例中，控制器配置来将当前刀片速度值与当前平均刀片速度的98%进行比较。在当前刀片速度小于或等于当前平均刀片速度的98%时，可以表明回踢事件。

在识别回踢事件时，控制器可以配置来使用上述度量中的一种、一种以上的度量的组合或所有上述度量。例如，控制器128可以配置成：当满足所有上述条件时，即，在当前平均刀片速度与先前平均刀片速度之间的百分比差值大于预定百分比差值阈值时，在当前平均刀片速度与先前平均刀片速度之间的百分比差值大于阈值时，以及在当前速度值小于当前平均刀片速度的预定百分比（例如，98%）时，识别出回踢事件。

图3A和图3B描绘了用于检测和减缓在圆锯中的回踢的过程200，该过程200可以通过控制器128来执行。在下面的论述中，对实施功能或动作的过程200的提及是指操作控制器以执行所存储的程序指令使得结合锯中的其它部件来执行该功能或动作。为了说明性的目的，结合图2的锯100来描述过程200。

过程200发生在锯100的操作期间。在锯片104旋转时，控制器128接收来自RPM传感器112的输出，该输出表示锯片的旋转速度。控制器对RPM传感器的输出进行处理以产生锯片104的速度的一系列测量样本。在锯100的实施例中，控制器128以预定采样速率产生测量样本，例如，每毫秒1个样本（每秒1000个样本）。可替代实施例能够以更高的或更低的速率来进行采样，只要采样速率足够高使得控制器能识别回踢事件并且在预定时间段内（例如，在检测到回踢事件正发生或者即将来临的100毫秒内）采取减缓动作即可。

在图3A和图3B的过程图中，控制器128基于来自RPM传感器112的信号以预定采样速率产生下一速度测量样本（B）（框204）。如上所述，控制器128接收来自RPM传感器112的当前速度测量结果。“下一”速度样本还称作当前时间速度样本，这是由于控制器128将下一速度样本用作在过程200的每次重复期间锯片104的当前速度的表征。

控制器128还将预定时间段（例如，400至500毫秒）内的先前速度测量样本的历史记录存储在存储器中。在过程200中，控制器128识别刀片在测量结果范围内的平均速度（A），包括最近的测量结果和存储在存储器中的刀片速度测量结果的历史记录（框208）。在过程200期间，控制器128识别在最近测量的速度样本与识别到的平均刀片速度A之间的第一差值（G）（框212）。在一些实施例中，将最近测量的刀片速度/平均刀片速度的差值表示为平均刀片速度A的百分比G，以识别速度差值的相对大小。控制器128还识别在锯片104的下一速度测量样本与先前速度测量样本之间的第二差值H（框216）。在锯100中，控制器128将紧接在产生下一速度测量样本之前产生的速度测量样本用作先前速度测量结果，但是在可替代实施例中，可选地，使用之前的速度测量样本中的另一个来识别H。在图4的实施例中，将第二差值H表示为刀片104的之前的刀片速度测量样本与下一测得的速度样本的百分比差值，所以H的正值表示锯片速度随时间增加，而H的负值表示锯片速度随时间减小。在过程200期间，在框212和216中描述的该处理可以按照任何顺序或者同时地发生。

随着控制器128识别下一测得的速度样本是否表示潜在的回踢事件，过程200继续。过程200不仅仅基于一个速度测量样本来识别回踢事件，这是由于潜在存在测量噪声和其它操作因素会在实际上无回踢事件发生时表示回踢事件正在发生或者即将来临（假肯定结果）。相反，过程200识别在预定时间段内多个速度测量样本的足够比例是否分别满足对于潜在回踢事件的准则，以识别回踢事件正在发生或者即将来临。

在过程200期间，控制器128通过使用下一速度测量样本和所存储的速度测量样本的历史记录，来识别与锯片104的速度变化有关的三个操作因素。控制器128识别：在先前测得的速度样本与下一速度样本之间的第二差值是否表示锯片速度正随时间减小（例如，H >0%）（框220）；下一测得的速度样本是否低于平均刀片速度超过一预定阈值比例（例如，如果下一测得的刀片速度样本B小于在框208的处理期间识别到的平均刀片速度A的98%或者另一预定百分比）（框224）；以及在下一测得的刀片速度样本与平均刀片速度之间的第一比例差值的大小是否超过另一预定比例阈值（例如，G > 0.3%或者另一预定百分比）（框228）。控制器128按照任何顺序或者同时地执行框220至228的处理。

如果框220至228中任一的处理结果产生否定（“否”）结果，则下一速度测量样本不表示回踢事件。控制器128维持表示回踢的样本的计数并且（更新）在预定数量的N个先前样本（例如，N=15个先前样本）内不表示回踢的样本的计数。控制器128更新计数器以表示下一速度测量样本不对应于回踢事件（框232），并且继续框204以处理来自RPM传感器112的下一速度测量样本。计数器识别在达到N个先前样本的窗口中表示潜在回踢事件的样本的总数。例如，在一种构型中，如果计数器在N=15个样本的窗口中满足或者超过值10（66%的样本表示回踢事件），则控制器128识别出回踢事件。

如果在所有框220至228中的处理结构都是肯定的（“是”），则控制器128识别出下一速度测量样本表示潜在回踢事件，并且控制器128更新表示潜在回踢事件的发生的速度测量样本的计数器（框236）。如上所述，由于噪声，可能会发生表示潜在回踢的单个样本或低频样本，所以，如果计数器值在N个先前样本内不超出预定阈值（例如，计数器表示先前15个样本中少于10个样本（66%）表示回踢），则过程200回到框204。然而，如果计数器超出阈值（框240），则控制器128识别到足够比例的最近产生的样本表示回踢事件正在发生或者即将来临（框240）。控制器128禁用锯马达108，并且，可选地，接合锯片制动机构120以防止或者减缓回踢事件（框244）。在锯100中，控制器128操作马达禁用开关140使马达108从电源132断开。即使操作者通过使用锯控制触发器136继续操作锯100，马达108也保持禁用。在一些实施例中，操作者清除工件，并且在随后操作锯100之前手动重设禁用开关140。回踢检测过程200在相当短的时间段内发生。例如，在许多实际的锯实施例中，锯检测到回踢事件正在开始或者即将来临并且在接近100毫秒或者更短的时间段内禁用马达。

图4描绘了在圆锯中的回踢事件期间随着时间测得的刀片速度样本的图表300。如图4所描绘的，回踢最初涉及速度的逐渐减小，随后是在事件中速度的大得多的下降。图4描绘了按照每秒1000个样本的采样速率收集到的速度数据点。第一100毫秒示出了速度的逐渐下降，且然后，随后的150毫秒示出了大得多的斜率，且刀片速度更快地减小。控制器128识别在图表300中在第一100毫秒期间的刀片速度随着时间变化的多种特征，以提高回踢检测和减缓的有效性。例如，刀片速度在回踢事件期间（H > 0）下降，下一速度测量样本必须足够低于移动平均值以表示潜在的回踢（B≤ cA，其中，c = 0.98或者另一合适的百分比阈值），并且刀片104的下一速度测量样本的大小应该从移动平均刀片速度偏离超过一预定阈值比例（G > 0.3%）。对回踢事件的迅速检测使控制器128能够有足够的时间来禁用马达108，并且可选地，接合刀片制动机构120，以减缓回踢事件的负面影响。

将领会到，可以将上述以及其它特征和功能的变型或其替代方案根据需要组合到许多其它不同的系统、应用或者方法中。特别地，虽然本文描述的说明性实施例是针对圆锯的，但是本文描述的方法也适用于采用旋转器具的其它动力工具的回踢检测和减缓。本领域的技术人员随后可做出的各种目前未预见的或者未预期的替代、修改、变型或者改进均旨在由以下实施例所涵盖。

Claims (15)

1.一种操作动力锯的方法，其包括：

在锯片正被操作时，使用传感器输出表示所述锯片的旋转速度的信号；

使用控制器以预定采样速率对所述输出信号进行采样以确定所述锯片的所述旋转速度；

在对所述输出信号的每次采样之后，确定当前平均刀片速度，所述当前平均刀片速度对应于所述输出信号的当前样本表示的旋转速度与所述输出信号的预定数量的先前样本表示的旋转速度的平均值；

在确定所述当前平均刀片速度之后，将所述当前平均刀片速度与先前平均刀片速度进行比较，所述先前平均刀片速度对应于针对所述输出信号的先前样本计算得到的当前平均刀片速度；以及

基于所述当前平均刀片速度与所述先前平均刀片速度的比较，检测是否已经发生所述锯片的回踢事件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定采样速率是每毫秒至少1个样本。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，预定数量的样本为至少100。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定数量的样本为至少400。

5. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述当前平均刀片速度与所述先前平均刀片速度的所述比较进一步包括：

确定在所述当前平均刀片速度与所述先前平均刀片速度之间的第一百分比差值，以及

其中，所述锯片的回踢事件是否已经发生的检测进一步包括：

当所述第一百分比差值大于第一预定百分比差值阈值时，检测到回踢事件。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一预定百分比差值阈值为至少0.003%。

7.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：

将所述当前样本表示的刀片速度与所述先前样本表示的刀片速度进行比较；

确定在所述当前样本表示的刀片速度与所述先前样本表示的刀片速度之间的第二百分比差值；以及

当所述第一百分比差值大于第一预定百分比差值阈值，并且所述第二百分比差值大于第二预定百分比差值阈值时，检测到回踢事件。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一预定百分比差值阈值为至少0.003%，以及

其中，所述第二预定百分比差值阈值为0。

9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：

计算所述当前平均速度值的预定百分比；以及，

当所述第一百分比差值大于第一预定百分比差值阈值，所述第二百分比差值大于第二预定百分比差值阈值，并且所述当前样本表示的刀片速度小于或者等于所述当前平均速度值的所述预定百分比时，检测到回踢事件。

10. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一预定百分比差值阈值为至少0.003%，

其中，所述第二预定百分比差值阈值为0，以及

其中，所述预定百分比为98%。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，检测到回踢事件进一步包括：

对于预定时间量内的预定数量的样本，当所述第一百分比差值大于第一预定百分比差值阈值，所述第二百分比差值大于第二预定百分比差值阈值，并且所述当前样本表示的刀片速度小于或者等于在所述预定时间量内的预定数量的样本的所述当前平均速度值的所述预定百分比时，检测到回踢事件。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

响应于检测到回踢事件，启动回踢减缓措施。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述回踢减缓措施包括禁用马达，所述马达驱动所述锯片。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述回踢减缓措施包括启动刀片制动机构。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述回踢减缓措施包括启动刀片下降机构。