專利名稱：基于工具磨損而自動調節(jié)工具的操作速度的電氣裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及電動裝置。更具體地，本發(fā)明涉及這樣的電動裝置，其具有用于自動設置該裝置的操作速度的電路。
背景技術：
許多工具的壽命和效率在很大程度上是由使用工具的操作速度來確定的。但是，驅動工具的電動裝置通常具有用于全部工具的一個或不連續(xù)的多個操作速度，并且因此不能夠針對特定工具優(yōu)化操作速度。另外，某些工具如磨輪或切割輪的速度因工具磨損而改變，這進一步阻止了工具以最佳速度被操作。因此，需要這樣的電動裝置，其包括用于調節(jié)工具的操作速度以補償或考慮工具磨損從而延長工具的使用壽命的電路。
背景技術：
在本發(fā)明的一方面，提供了電動裝置，其一般能夠自動地調節(jié)可移動地連接到該裝置的工具的操作速度。該裝置包括這樣的電路，其評估可移動地連接到該裝置的工具的工具磨損，基于工具磨損而產(chǎn)生工具磨損信號，并且基于工具磨損信號而調節(jié)工具的操作速度。
在本發(fā)明的另一方面，提供了電動裝置，其能夠通過評估工具的半徑來自動地調節(jié)工具的操作速度，其中工具的半徑隨著工具磨損而變化。該裝置包括評估工具磨損的電路，其包括光發(fā)射器，將光投射到工具的半徑的至少耐磨部分上；以及光檢測器，檢測從工具的半徑的耐磨部分反射的投射光的光強度，并且基于檢測的光強度而產(chǎn)生工具磨損信號。在這種情況下，從工具的半徑的耐磨部分反射的光的強度基于工具的半徑而變化。該裝置還包括基于工具磨損信號而調節(jié)工具的操作速度的電路。
在另一方面，提供了用于自動調節(jié)可移動地連接到電動裝置的工具的操作速度以考慮工具磨損的方法，該方法包括以下步驟評估該工具的磨損，基于工具磨損而產(chǎn)生工具磨損信號；以及基于工具磨損信號而調節(jié)工具的操作速度。


圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的能夠自動地設置連接到其的工具的操作速度的電動裝置的圖，其中電動裝置從單獨的功率轉換器接收DC功率，其包含用于自動設置工具的操作速度的電路。
圖2是示出其中可以實施本發(fā)明的優(yōu)選實施例的、能夠自動地設置連接到其的工具的操作速度的電動裝置的主要部件的框圖。
圖3a-3c示出與根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的能夠自動地設置連接到其的工具的操作速度的電動裝置一起使用的磨輪。
圖4a-4c是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的裝置的工具識別部件的部分電路圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于將從條形碼讀取器接收的信號整形的部分電路圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的能夠自動地設置連接到其的工具的操作速度的電動裝置的部分電路圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于標識工具的存儲器和存儲寄存器的框圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于自動調節(jié)工具的操作速度的流程圖。
具體實施例方式
優(yōu)選實施例一般提供電動裝置，其能夠自動地或以其他方式設置和/或調節(jié)用于驅動工具(由電動裝置驅動)的操作速度以補償工具磨損。這里使用的工具一般是指由電動裝置驅動以執(zhí)行與其相關的機械作業(yè)如切、鉆、磨等的任何功能件。該優(yōu)選實施例的此方面有益地允許電動裝置或其部分設置和/或調節(jié)該裝置的操作速度以與該工具的操作限制和/或使用該工具的操作偏好相一致。盡管作為示例關于某些類型的電動裝置如動力工具，并且更具體地關于具有無電刷DC(“BLDC”)電極的磨機描述了優(yōu)選實施例，應該理解，優(yōu)選實施例一般性地適用于多種不同類型的裝置并且因此不局限于此。
參見圖1，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的能夠自動設置和/或調節(jié)連接到其的工具302如磨機的操作速度的電動裝置300通常包括外殼11，其具有至少一個用于操作該裝置的手柄如外柄20和后柄15。后柄15還具有安裝到其的通/斷開關25。外殼11內(nèi)包含的是用于驅動可移動地附著到其的工具302如磨輪的無電刷DC(“BLDC”)電機12或任何其他裝置。也附著到外殼11或與其一體化的是發(fā)射器/檢測器外殼40，其用于容納工具磨損指示器部件301或其部分。在優(yōu)選實施例中，用于為電機12供給功率的電功率線45從后柄15延伸到外部控制器50，外部控制器50例如使用連接到功率源的插頭60通過功率線50從功率源接收功率?？商鎿Q地、或另外地，控制器50或其一部分可以內(nèi)部地安裝在外殼11內(nèi)。
參見圖2，其中可以實施優(yōu)選實施例的電動裝置300包括幾個主要部件。在優(yōu)選實施例中，電動裝置300包括工具磨損指示器部件301和用于驅動電動部件308如BLDC電機12的控制器50。工具磨損指示器部件301一般評估或確定工具磨損，并且基于測得的工具磨損而產(chǎn)生可以用于來驅動工具的工具磨損信號。工具磨損可以直接測量或以多種方式間接測量。一般地，工具磨損指示器確定工具磨損變量的值，即隨著工具磨損而變化的工具的可變特性，并且基于工具磨損變量或相關工具磨損而產(chǎn)生適當?shù)男盘枴Ｔ撔盘柋惶峁┑娇刂破?0，控制器50基于工具磨損變量的值將電動部件308的操作速度調節(jié)到預先規(guī)定的值。用于評估工具磨損的特定工具磨損變量一般依賴于其磨損正被確定的工具類型。例如，磨輪的半徑將隨著磨損而變化，并且因此可以用作計量輪磨損的變量。各種其他變量也可用于計量工具磨損，如電阻、電感、電容、長度、直徑、工作溫度等。在一個實施例中，該裝置可以還包括工具識別部件304，其讀取用于標識待由電動部件308驅動的特定工具302的標記。該標記可以用于確定特定工具302的初始操作速度，該初始操作速度可調節(jié)以考慮與特定裝置302相關的磨損。工具302還可包括反射涂層308以增加工具302的反射特性。
裝置300可以以多種方式計量工具磨損以及識別工具302，所述方式包括但不限于采用直接的、光、電感、以及電容讀取/測量技術。參見圖3a，在優(yōu)選實施例中，使用光測量技術確定工具磨損。在這種情況下，工具磨損指示器部件301包括光發(fā)射器340，如激光發(fā)射器，其將光投射到工具302上；以及光檢測器342，如光電檢測器，其檢測從工具302的表面反射的光的一方面如光強度。這里使用的光一般是指可見和非可見光譜中的電磁輻射。在優(yōu)選實施例中，光發(fā)射器340至少在磨輪302的半徑的耐磨部分上投射具有長度R的線341。隨著磨輪302的磨損，磨輪的半徑變小，并且作為結果，所投射的線的長度R’與工具磨損成比例地變小，如圖3b中所示。在這種情況下，R和R’之間的差，例如與R和/或R’相關聯(lián)的該差或反射光強度可以用于計量相關的工具磨損，并且相應地調節(jié)該裝置的操作速度，以反映工具磨損。
參見圖3c，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，工具302如磨輪上包括標記35如條形碼，其可以用于標識或識別待由裝置300驅動的特定工具。標記35，例如具有反射區(qū)域36和非反射區(qū)域37的條形碼，其優(yōu)選地置于面對工具的磨輪302的內(nèi)表面上，該內(nèi)表面相對于工具302的工作表面或部分，不與要加工的物品發(fā)生接觸。磨輪包括襯套31，其用于將該輪保持在電驅動部件308即電機軸上。
參見圖4a，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，光發(fā)射器340包括光源404和聚焦透鏡402。在這種情況下，當功率開關25被接通時光源如二極管D1被通電并且發(fā)光，該光通過聚焦透鏡402被聚焦以在工具302上產(chǎn)生線341。參見圖4b，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，光檢測器342包括聚焦透鏡406，其接收從工具302反射的光并且將發(fā)射光向光檢測器如光電二極管D2聚焦。光檢測器例如光電二極管D2一般基于反射光的強度改變來自光檢測器電路的工具磨損信號Vout，其中反射光的強度進一步基于投射線341的長度。光檢測器342還可以包括被配置為跨阻抗放大器的運算放大器，以便放大該信號以產(chǎn)生放大信號Vout。因此，光檢測器342將產(chǎn)生與投射的/反射的線341的長度成比例的輸出信號，其中該長度進一步基于工具磨損。
參見圖4c，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的工具識別部件301包括用于光學地讀取條形碼35的電路70。電路70連接到Vcc功率線78，其為電路70供給功率并且包含在線45內(nèi)。電阻器72的一端連接到Vcc。電阻器72的另一端連接到紅外光發(fā)射二極管74的陽極。二極管74的陰極端連接到地線80。當被通電時，二極管74發(fā)出紅外輻射76，其被聚焦在旋轉的條形碼35上。輻射76由非反射區(qū)域37吸收并且由反射區(qū)域36發(fā)射回到光學外殼40中。電阻器82連接到Vcc，電阻器82的另一端連接到光電晶體管88的集電極，其中光電晶體管88位于外殼40內(nèi)以接收反射的輻射86。信號線84連接到晶體管88的集電極。
參見圖5，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的工具識別部件301還包括信號整形電路100，其一般將來自信號線84的光學/模擬標識信號轉換成數(shù)字標識信號。這可以通過將信號線84連接到電阻器102的一端而實現(xiàn)。電阻器102的另一端連接到瞬態(tài)電壓抑制器104，以及連接到電容器106的一端和連接到施密特反相器108的輸入。抑制器104和電容器106的另一端連接到地。功率通過線78和地線80供給到電路70。反相器108的輸出連接到施密特反相器110的輸入，并且反相器110的輸出被放置到線112上。電阻器102和電容器106形成對于反相器108的輸入的低通濾波器，以濾掉線84上的高頻噪聲。抑制器104可以用于防止由包含在線45中的電機功率線引發(fā)的任何電壓尖峰。放置在線112上的信號將具有形式114，其具有數(shù)字邏輯電平115a和115b的序列，代表從用于標識工具35的標記獲得的二進制字116。
參見圖6，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的控制器部件50包括至少一個微控制器117，其優(yōu)選地具有與其相關聯(lián)的存儲器122，用于基于從工具識別部件301接收的標識信號而控制工具的操作速度。在這點上，來自光檢測器電路和/或來自線112的工具磨損信號通過其上的一個或多個輸入引腳傳遞到微控制器117。微控制器117將電機繞組相位控制信號119、118和120發(fā)送到三相逆變器130。程序優(yōu)選地存儲在存儲器122中，其基于來自工具識別部件301的標識信號和/或來自工具磨損指示器部件301的工具磨損信號，在線118、119和120上產(chǎn)生操作信號以驅動電驅動部件308。高電壓線132連接到逆變器130，并且與地連接134一起供給功率以驅動例如電機12。響應于來自線118、119、以及120的操作信號，逆變器130通過線140、142、以及144以正確的相位順序分別將功率供給到電機繞組146、148、以及150。
在優(yōu)選實施例中，來自光檢測器電路的工具磨損信號流到微控制器117的模擬/數(shù)字輸入(A/D)引腳。微控制器117從而能夠感測工具磨損信號并且調節(jié)工具302的操作速度以考慮工具磨損。微控制器117一般采樣工具磨損信號Vout并且對裝置的操作速度作出對應的調整。例如，磨輪的半徑隨著輪磨損而變小。在這種情況下，從磨輪反射的光量以及由此的反射光的強度將會隨著磨輪的半徑或磨損而類似地變小。然后，微控制器117可以隨著磨輪磨損而調節(jié)操作速度例如提高磨輪的操作速度。因此可以調節(jié)操作速度以保持磨輪的圓周速度基本恒定或具有所需范圍。
包含在框170內(nèi)的背面EMF電路分別通過線152、154和158接收出現(xiàn)在線140、142和144上的電壓，并且將輸出信號提供到線172上以指示任何線140、142和144的非通電線的過零，其進一步被提供為微控制器117的輸入。微控制器117接收放置在線172上的信號以對于線118、119和120確定適當?shù)拇せ畹南辔豢刂菩盘?，從而以所需操作速度驅動電氣部?08。該一個或多個相位控制信號是基于至少一個存儲在存儲器122中的控制算法而產(chǎn)生的。下面更詳細地討論選擇適當控制信號以操作電氣部件。微控制器117發(fā)送多路復用信號到線171上，以便選擇性地多路復用或者從線152、154或158選擇哪些信號將被放置到線172上。微控制器117通過通/斷開關25進一步響應于放置到線25a上的信號。
微控制器117優(yōu)選地是被設計用于BLDC控制的專用控制器如Motorola的MC68HC08MR32或等效的微控制器系列。微控制器117包含存儲器122，其包括閃存122a和RAM存儲器122b。閃存122a包含算法，用于有效地換向和運行BLDC電機308。RAM存儲器用于臨時存儲可被改變的程序變量，如旋轉工具速度數(shù)據(jù)。另外，微控制器117包含脈沖寬度調制(“PWM”)輸出，其驅動線118、119和120以及其他I/O線以用于有效的BLDC電機控制。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于標識工具的存儲器和存儲寄存器。存儲器122是由多個段192組成，每個段192是由存儲寄存器190組成。存儲器122優(yōu)選地包括第一段190，其包括多個連續(xù)存儲位置199；以及第二段192，其包括多個對應且相關的連續(xù)存儲位置198。與第一段190相關聯(lián)的存儲位置199包括與用于標識由裝置驅動的特定工具的標記35對應的數(shù)據(jù)字116的列表。第二段192的相關存儲位置198針對存儲在對應的存儲位置199中的每個數(shù)據(jù)字116，包括工具302的操作速度例如旋轉速度的二進制表示。寄存器194被示出為存儲二進制字116。一般地，將來自線112的標識信號與第一段190中的數(shù)據(jù)字116的列表進行比較，以針對特定工具302從第二段192確定所需初始操作速度。在表199內(nèi)存儲了對應于放置在線112上的信號并且對應于條形碼35的所有可能二進制字166的列表。
參見圖8，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，用于自動調節(jié)工具的操作速度的方法從用戶將開關25置于通位置而開始。響應于放置到線25a上的通/斷信號并且響應于放置到線172上的信號，微控制器117將適當順序的信號發(fā)送到線118、119和120上，以控制通過逆變器130將高電壓132施加到電機繞組146、148和150上。如步驟200所示，功率從逆變器130通過線140、142和144流到電機繞組。響應于放置到線172上的信號并且響應于包含在存儲器122內(nèi)的控制算法，微控制器117對放置到線118、119和120上的信號定序，以對向電驅動部件308例如電機12的功率施加正確地換向。在一個實施例中，電機12隨后在步驟202開始，初始地以額定速度旋轉，以便讓工具識別部件301讀取工具302上的標記或條形碼35。在優(yōu)選實施例中，電機12旋轉磨輪，并且這樣做時在發(fā)出紅外輻射76的電路70之前周期性地旋轉條形碼。當條形碼在電路70前通過時反射表面36反射紅外輻射76以形成反射能量86，該能量激發(fā)光電二極管88在線84上放置低信號。非反射表面37吸收輻射76并且因此不形成反射能量86，這導致在不被激活時光電二極管88在線84上放置高信號。因此，直接對應于放置在輪上的條形碼的低和高信號序列被放置在線84上。
然后，可以對放置在線84上的信號序列進行濾波，并且由電路100整形，以形成分別由低和高數(shù)字信號115a和115b構成的串行數(shù)據(jù)序列114?？商鎿Q地或另外地，工具磨損指示器部件301評估工具磨損，例如光發(fā)射器340發(fā)出光，該光被工具302反射并且由光檢測器342接收以產(chǎn)生基于反射光強度的磨損信號。如步驟204所示，微控制器117讀取形成數(shù)據(jù)字116的標識信號如串行數(shù)據(jù)114，和/或磨損信號。字116代表由條形碼所定義的輪數(shù)據(jù)。然后，微控制器117將數(shù)據(jù)字116寫入存儲器122的寄存器中。
然后，微控制器117可以從第一條目196開始，將存儲在寄存器195中的數(shù)據(jù)字116與存儲在存儲器的第一段199中的數(shù)據(jù)相比較。如果在步驟206沒有發(fā)生匹配，則微控制器117尋址第一段199的下一存儲位置，并且將下一存儲位置中存儲的數(shù)據(jù)與寄存器195數(shù)據(jù)相比較，直到發(fā)生匹配。當發(fā)生匹配時，則如步驟210所示，微控制器117將來自第二段198的相關存儲位置的對應數(shù)據(jù)寫入正常操作主程序內(nèi)的旋轉速度數(shù)據(jù)存儲位置中。然后，微控制器117執(zhí)行正常操作程序216，以使用該旋轉速度數(shù)據(jù)設置電機12的速度從而設置工具302的操作速度。然后，如步驟218所示，微控制器117可以調節(jié)裝置的操作速度以考慮工具磨損。微控制器117優(yōu)選地采樣工具磨損即工具磨損信號，基于實時工具磨損確定而連續(xù)提供關于工具302的操作速度的控制。如果工具磨損超過工具的磨損限度時，微控制器117還可以停止工具302。
盡管為了清楚和理解起見以一定的細節(jié)描述了本發(fā)明的前述優(yōu)選實施例，但是本領域技術人員從本公開的閱讀中應該理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行形式和細節(jié)上的各種改變，本發(fā)明的范圍僅由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種電動裝置，能夠自動地調節(jié)可移動地連接到所述裝置的工具的操作速度，所述裝置包括評估可移動地連接到所述裝置的所述工具的工具磨損以及基于所述工具磨損而產(chǎn)生工具磨損信號的電路；基于所述工具磨損信號而調節(jié)所述工具的所述操作速度的電路。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述評估工具磨損的電路通過確定隨著工具磨損而變化的工具磨損變量的值來評估工具磨損，并且所述工具磨損信號基于所述工具磨損變量的值而變化。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述工具是磨輪和切割輪之一，每個具有與之相關的半徑，并且其中所述工具磨損變量包括所述工具的所述半徑。
4.如權利要求3所述的裝置，其中所述調節(jié)所述工具的所述操作速度的電路基于所述工具的所述半徑的確定而調節(jié)所述工具的所述操作速度。
5.如權利要求3所述的裝置，其中所述評估工具磨損的電路包括光發(fā)射器，將光投射到所述工具上；以及光檢測器，檢測從所述工具反射的所述投射光的方面。
6.如權利要求5所述的裝置，其中所述光檢測器檢測從所述工具反射的所述投射光的光強度，并且其中所述工具磨損信號基于所述反射光的強度而變化。
7.如權利要求5所述的裝置，其中所述光發(fā)射裝置將光投射到所述工具的所述半徑的至少耐磨部分上。
8.如權利要求5所述的裝置，其中所述工具包括反射表面并且其中所述光被投射到所述反射表面上。
9.如權利要求1所述的裝置，其中所述工具包括用于標識所述工具的標記并且其中所述裝置包括讀取用于標識所述工具的所述標記并且產(chǎn)生用于標識可移動地連接到所述裝置的特定工具的信號的電路；以及基于所述標識信號而對所述特定工具設置初始操作速度的電路。
10.如權利要求9所述的裝置，其中用于標識所述工具的所述標記包括條形碼。
11.如權利要求10所述的裝置，其中所述讀取用于標識所述工具的所述標記的電路產(chǎn)生模擬標識信號，并且其中所述裝置包括將所述模擬標識信號轉換成數(shù)字標識信號的電路。
12.如權利要求11所述的裝置，其中所述裝置包括微控制器和存儲器，所述存儲器具有工具列表以及針對其中存儲的每個工具的對應操作速度，并且其中所述微控制器基于所述數(shù)字標識信號而對所述存儲器中的所述工具列表當中的特定工具設置所述初始操作速度。
13.如權利要求9所述的裝置，其中所述裝置初始地以額定操作速度操作所述工具以讀取所述工具上的所述標記。
14.如權利要求1所述的裝置，其中所述裝置使用無電刷DC電機驅動可移動地連接到其的所述工具。
15.一種電動裝置，能夠自動地調節(jié)工具的操作速度，其中所述工具具有隨著工具磨損而變化的半徑，所述裝置包括評估工具磨損的電路，包括光發(fā)射器，將光投射到所述工具的所述半徑的至少耐磨部分上；以及光檢測器，檢測從所述工具的所述半徑的所述耐磨部分反射的所述投射光的光強度，并且基于所檢測的光強度而產(chǎn)生工具磨損信號，其中從所述工具的所述半徑的所述耐磨部分反射的光的強度基于所述工具的所述半徑而變化；以及基于所述工具磨損信號而調節(jié)所述工具的所述操作速度的電路。
16.一種用于自動調節(jié)可移動地連接到電動裝置的工具的操作速度以考慮工具磨損的方法，所述方法包括評估所述工具的磨損；基于所述工具磨損而產(chǎn)生工具磨損信號；以及基于所述工具磨損信號而調節(jié)所述工具的所述操作速度。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述工具包括隨著工具磨損而變化的半徑，并且其中所述評估所述工具的磨損的步驟包括將光投射到所述工具的所述半徑的至少一部分上；檢測從所述工具反射的所述投射光的光強度；以及基于所述反射光的所述強度而產(chǎn)生所述工具磨損信號。
18.如權利要求17所述的方法，其中從所述半徑的所述耐磨部分反射的所述光的所述強度基于所述工具的所述半徑而變化。
19.如權利要求17所述的方法，其中所述工具包括磨輪和切割輪之一，并且其中所述調節(jié)所述裝置的所述操作速度的步驟包括提高所述裝置的所述操作速度以補償工具磨損。
20.如權利要求15所述的方法，包括以額定速度操作所述工具；以所述額定速度識別可移動地連接到所述裝置的特定工具；以及對所述特定工具設置初始操作速度。
全文摘要
提供了電動裝置，其一般能夠自動調節(jié)可移動地連接到該裝置的工具的操作速度。該裝置包括這樣的電路，其評估可移動地連接到該裝置的工具的工具磨損，基于該工具磨損而產(chǎn)生工具磨損信號，以及基于該工具磨損信號而調節(jié)工具的操作速度。該裝置還可以通過識別特定工具并且設置以后可被調節(jié)以考慮工具磨損的初始操作速度，能夠自動設置可移動地連接到該裝置的特定工具的初始操作速度。
文檔編號B23Q17/09GK1977445SQ200580020242
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月17日 優(yōu)先權日2004年6月25日
發(fā)明者威廉·R·哈勒爾 申請人:托爾動力公司