基于工具磨损而自动调节工具的操作速度的电气装置.pdf

提供了电动装置，其一般能够自动调节可移动地连接到该装置的工具的操作速度。该装置包括这样的电路，其评估可移动地连接到该装置的工具的工具磨损，基于该工具磨损而产生工具磨损信号，以及基于该工具磨损信号而调节工具的操作速度。该装置还可以通过识别特定工具并且设置以后可被调节以考虑工具磨损的初始操作速度，能够自动设置可移动地连接到该装置的特定工具的初始操作速度。

1.  一种电动装置，能够自动地调节可移动地连接到所述装置的工具的操作速度，所述装置包括：
评估可移动地连接到所述装置的所述工具的工具磨损以及基于所述工具磨损而产生工具磨损信号的电路；
基于所述工具磨损信号而调节所述工具的所述操作速度的电路。

2.  如权利要求1所述的装置，其中所述评估工具磨损的电路通过确定随着工具磨损而变化的工具磨损变量的值来评估工具磨损，并且所述工具磨损信号基于所述工具磨损变量的值而变化。

3.  如权利要求2所述的装置，其中所述工具是磨轮和切割轮之一，每个具有与之相关的半径，并且其中所述工具磨损变量包括所述工具的所述半径。

4.  如权利要求3所述的装置，其中所述调节所述工具的所述操作速度的电路基于所述工具的所述半径的确定而调节所述工具的所述操作速度。

5.  如权利要求3所述的装置，其中所述评估工具磨损的电路包括：
光发射器，将光投射到所述工具上；以及
光检测器，检测从所述工具反射的所述投射光的方面。

6.  如权利要求5所述的装置，其中所述光检测器检测从所述工具反射的所述投射光的光强度，并且其中所述工具磨损信号基于所述反射光的强度而变化。

7.  如权利要求5所述的装置，其中所述光发射装置将光投射到所述工具的所述半径的至少耐磨部分上。

8.  如权利要求5所述的装置，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.  如权利要求1所述的装置，其中所述工具包括用于标识所述工具的标记并且其中所述装置包括：
读取用于标识所述工具的所述标记并且产生用于标识可移动地连接到所述装置的特定工具的信号的电路；以及
基于所述标识信号而对所述特定工具设置初始操作速度的电路。

10.  如权利要求9所述的装置，其中用于标识所述工具的所述标记包括条形码。

11.  如权利要求10所述的装置，其中所述读取用于标识所述工具的所述标记的电路产生模拟标识信号，并且其中所述装置包括将所述模拟标识信号转换成数字标识信号的电路。

12.  如权利要求11所述的装置，其中所述装置包括微控制器和存储器，所述存储器具有工具列表以及针对其中存储的每个工具的对应操作速度，并且其中所述微控制器基于所述数字标识信号而对所述存储器中的所述工具列表当中的特定工具设置所述初始操作速度。

13.  如权利要求9所述的装置，其中所述装置初始地以额定操作速度操作所述工具以读取所述工具上的所述标记。

14.  如权利要求1所述的装置，其中所述装置使用无电刷DC电机驱动可移动地连接到其的所述工具。

15.  一种电动装置，能够自动地调节工具的操作速度，其中所述工具具有随着工具磨损而变化的半径，所述装置包括：
评估工具磨损的电路，包括：
光发射器，将光投射到所述工具的所述半径的至少耐磨部分上；以及
光检测器，检测从所述工具的所述半径的所述耐磨部分反射的所述投射光的光强度，并且基于所检测的光强度而产生工具磨损信号，其中从所述工具的所述半径的所述耐磨部分反射的光的强度基于所述工具的所述半径而变化；以及
基于所述工具磨损信号而调节所述工具的所述操作速度的电路。

16.  一种用于自动调节可移动地连接到电动装置的工具的操作速度以考虑工具磨损的方法，所述方法包括：
评估所述工具的磨损；
基于所述工具磨损而产生工具磨损信号；以及
基于所述工具磨损信号而调节所述工具的所述操作速度。

17.  如权利要求16所述的方法，其中所述工具包括随着工具磨损而变化的半径，并且其中所述评估所述工具的磨损的步骤包括：
将光投射到所述工具的所述半径的至少一部分上；
检测从所述工具反射的所述投射光的光强度；以及
基于所述反射光的所述强度而产生所述工具磨损信号。

18.  如权利要求17所述的方法，其中从所述半径的所述耐磨部分反射的所述光的所述强度基于所述工具的所述半径而变化。

19.  如权利要求17所述的方法，其中所述工具包括磨轮和切割轮之一，并且其中所述调节所述装置的所述操作速度的步骤包括：提高所述装置的所述操作速度以补偿工具磨损。

20.  如权利要求15所述的方法，包括：
以额定速度操作所述工具；
以所述额定速度识别可移动地连接到所述装置的特定工具；以及
对所述特定工具设置初始操作速度。

基于工具磨损而自动调节工具的操作速度的电气装置
技术领域
本发明一般地涉及电动装置。更具体地，本发明涉及这样的电动装置，其具有用于自动设置该装置的操作速度的电路。
背景技术
许多工具的寿命和效率在很大程度上是由使用工具的操作速度来确定的。但是，驱动工具的电动装置通常具有用于全部工具的一个或不连续的多个操作速度，并且因此不能够针对特定工具优化操作速度。另外，某些工具如磨轮或切割轮的速度因工具磨损而改变，这进一步阻止了工具以最佳速度被操作。因此，需要这样的电动装置，其包括用于调节工具的操作速度以补偿或考虑工具磨损从而延长工具的使用寿命的电路。
背景技术
在本发明的一方面，提供了电动装置，其一般能够自动地调节可移动地连接到该装置的工具的操作速度。该装置包括这样的电路，其评估可移动地连接到该装置的工具的工具磨损，基于工具磨损而产生工具磨损信号，并且基于工具磨损信号而调节工具的操作速度。
在本发明的另一方面，提供了电动装置，其能够通过评估工具的半径来自动地调节工具的操作速度，其中工具的半径随着工具磨损而变化。该装置包括评估工具磨损的电路，其包括：光发射器，将光投射到工具的半径的至少耐磨部分上；以及光检测器，检测从工具的半径的耐磨部分反射的投射光的光强度，并且基于检测的光强度而产生工具磨损信号。在这种情况下，从工具的半径的耐磨部分反射的光的强度基于工具的半径而变化。该装置还包括基于工具磨损信号而调节工具的操作速度的电路。
在另一方面，提供了用于自动调节可移动地连接到电动装置的工具的操作速度以考虑工具磨损的方法，该方法包括以下步骤：评估该工具的磨损，基于工具磨损而产生工具磨损信号；以及基于工具磨损信号而调节工具的操作速度。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的能够自动地设置连接到其的工具的操作速度的电动装置的图，其中电动装置从单独的功率转换器接收DC功率，其包含用于自动设置工具的操作速度的电路。
图2是示出其中可以实施本发明的优选实施例的、能够自动地设置连接到其的工具的操作速度的电动装置的主要部件的框图。
图3a-3c示出与根据本发明优选实施例的能够自动地设置连接到其的工具的操作速度的电动装置一起使用的磨轮。
图4a-4c是根据本发明优选实施例的装置的工具识别部件的部分电路图。
图5是根据本发明优选实施例的用于将从条形码读取器接收的信号整形的部分电路图。
图6是根据本发明优选实施例的能够自动地设置连接到其的工具的操作速度的电动装置的部分电路图。
图7是根据本发明优选实施例的用于标识工具的存储器和存储寄存器的框图。
图8是根据本发明优选实施例的用于自动调节工具的操作速度的流程图。
具体实施方式
优选实施例一般提供电动装置，其能够自动地或以其他方式设置和/或调节用于驱动工具(由电动装置驱动)的操作速度以补偿工具磨损。这里使用的工具一般是指由电动装置驱动以执行与其相关的机械作业如切、钻、磨等的任何功能件。该优选实施例的此方面有益地允许电动装置或其部分设置和/或调节该装置的操作速度以与该工具的操作限制和/或使用该工具的操作偏好相一致。尽管作为示例关于某些类型的电动装置如动力工具，并且更具体地关于具有无电刷DC(“BLDC”)电极的磨机描述了优选实施例，应该理解，优选实施例一般性地适用于多种不同类型的装置并且因此不局限于此。
参见图1，根据本发明优选实施例的能够自动设置和/或调节连接到其的工具302如磨机的操作速度的电动装置300通常包括外壳11，其具有至少一个用于操作该装置的手柄如外柄20和后柄15。后柄15还具有安装到其的通/断开关25。外壳11内包含的是用于驱动可移动地附着到其的工具302如磨轮的无电刷DC(“BLDC”)电机12或任何其他装置。也附着到外壳11或与其一体化的是发射器/检测器外壳40，其用于容纳工具磨损指示器部件301或其部分。在优选实施例中，用于为电机12供给功率的电功率线45从后柄15延伸到外部控制器50，外部控制器50例如使用连接到功率源的插头60通过功率线50从功率源接收功率。可替换地、或另外地，控制器50或其一部分可以内部地安装在外壳11内。
参见图2，其中可以实施优选实施例的电动装置300包括几个主要部件。在优选实施例中，电动装置300包括工具磨损指示器部件301和用于驱动电动部件308如BLDC电机12的控制器50。工具磨损指示器部件301一般评估或确定工具磨损，并且基于测得的工具磨损而产生可以用于来驱动工具的工具磨损信号。工具磨损可以直接测量或以多种方式间接测量。一般地，工具磨损指示器确定工具磨损变量的值，即随着工具磨损而变化的工具的可变特性，并且基于工具磨损变量或相关工具磨损而产生适当的信号。该信号被提供到控制器50，控制器50基于工具磨损变量的值将电动部件308的操作速度调节到预先规定的值。用于评估工具磨损的特定工具磨损变量一般依赖于其磨损正被确定的工具类型。例如，磨轮的半径将随着磨损而变化，并且因此可以用作计量轮磨损的变量。各种其他变量也可用于计量工具磨损，如电阻、电感、电容、长度、直径、工作温度等。在一个实施例中，该装置可以还包括工具识别部件304，其读取用于标识待由电动部件308驱动的特定工具302的标记。该标记可以用于确定特定工具302的初始操作速度，该初始操作速度可调节以考虑与特定装置302相关的磨损。工具302还可包括反射涂层308以增加工具302的反射特性。
装置300可以以多种方式计量工具磨损以及识别工具302，所述方式包括但不限于：采用直接的、光、电感、以及电容读取/测量技术。参见图3a，在优选实施例中，使用光测量技术确定工具磨损。在这种情况下，工具磨损指示器部件301包括：光发射器340，如激光发射器，其将光投射到工具302上；以及光检测器342，如光电检测器，其检测从工具302的表面反射的光的一方面如光强度。这里使用的光一般是指可见和非可见光谱中的电磁辐射。在优选实施例中，光发射器340至少在磨轮302的半径的耐磨部分上投射具有长度R的线341。随着磨轮302的磨损，磨轮的半径变小，并且作为结果，所投射的线的长度R’与工具磨损成比例地变小，如图3b中所示。在这种情况下，R和R’之间的差，例如与R和/或R’相关联的该差或反射光强度可以用于计量相关的工具磨损，并且相应地调节该装置的操作速度，以反映工具磨损。
参见图3c，在本发明的优选实施例中，工具302如磨轮上包括标记35如条形码，其可以用于标识或识别待由装置300驱动的特定工具。标记35，例如具有反射区域36和非反射区域37的条形码，其优选地置于面对工具的磨轮302的内表面上，该内表面相对于工具302的工作表面或部分，不与要加工的物品发生接触。磨轮包括衬套31，其用于将该轮保持在电驱动部件308即电机轴上。
参见图4a，根据本发明的优选实施例，光发射器340包括光源404和聚焦透镜402。在这种情况下，当功率开关25被接通时光源如二极管D1被通电并且发光，该光通过聚焦透镜402被聚焦以在工具302上产生线341。参见图4b，根据本发明的优选实施例，光检测器342包括聚焦透镜406，其接收从工具302反射的光并且将发射光向光检测器如光电二极管D2聚焦。光检测器例如光电二极管D2一般基于反射光的强度改变来自光检测器电路的工具磨损信号Vout，其中反射光的强度进一步基于投射线341的长度。光检测器342还可以包括被配置为跨阻抗放大器的运算放大器，以便放大该信号以产生放大信号Vout。因此，光检测器342将产生与投射的/反射的线341的长度成比例的输出信号，其中该长度进一步基于工具磨损。
参见图4c，根据本发明的优选实施例的工具识别部件301包括用于光学地读取条形码35的电路70。电路70连接到Vcc功率线78，其为电路70供给功率并且包含在线45内。电阻器72的一端连接到Vcc。电阻器72的另一端连接到红外光发射二极管74的阳极。二极管74的阴极端连接到地线80。当被通电时，二极管74发出红外辐射76，其被聚焦在旋转的条形码35上。辐射76由非反射区域37吸收并且由反射区域36发射回到光学外壳40中。电阻器82连接到Vcc，电阻器82的另一端连接到光电晶体管88的集电极，其中光电晶体管88位于外壳40内以接收反射的辐射86。信号线84连接到晶体管88的集电极。
参见图5，根据本发明的优选实施例的工具识别部件301还包括信号整形电路100，其一般将来自信号线84的光学/模拟标识信号转换成数字标识信号。这可以通过将信号线84连接到电阻器102的一端而实现。电阻器102的另一端连接到瞬态电压抑制器104，以及连接到电容器106的一端和连接到施密特反相器108的输入。抑制器104和电容器106的另一端连接到地。功率通过线78和地线80供给到电路70。反相器108的输出连接到施密特反相器110的输入，并且反相器110的输出被放置到线112上。电阻器102和电容器106形成对于反相器108的输入的低通滤波器，以滤掉线84上的高频噪声。抑制器104可以用于防止由包含在线45中的电机功率线引发的任何电压尖峰。放置在线112上的信号将具有形式114，其具有数字逻辑电平115a和115b的序列，代表从用于标识工具35的标记获得的二进制字116。
参见图6，根据本发明优选实施例的控制器部件50包括至少一个微控制器117，其优选地具有与其相关联的存储器122，用于基于从工具识别部件301接收的标识信号而控制工具的操作速度。在这点上，来自光检测器电路和/或来自线112的工具磨损信号通过其上的一个或多个输入引脚传递到微控制器117。微控制器117将电机绕组相位控制信号119、118和120发送到三相逆变器130。程序优选地存储在存储器122中，其基于来自工具识别部件301的标识信号和/或来自工具磨损指示器部件301的工具磨损信号，在线118、119和120上产生操作信号以驱动电驱动部件308。高电压线132连接到逆变器130，并且与地连接134一起供给功率以驱动例如电机12。响应于来自线118、119、以及120的操作信号，逆变器130通过线140、142、以及144以正确的相位顺序分别将功率供给到电机绕组146、148、以及150。
在优选实施例中，来自光检测器电路的工具磨损信号流到微控制器117的模拟/数字输入(A/D)引脚。微控制器117从而能够感测工具磨损信号并且调节工具302的操作速度以考虑工具磨损。微控制器117一般采样工具磨损信号Vout并且对装置的操作速度作出对应的调整。例如，磨轮的半径随着轮磨损而变小。在这种情况下，从磨轮反射的光量以及由此的反射光的强度将会随着磨轮的半径或磨损而类似地变小。然后，微控制器117可以随着磨轮磨损而调节操作速度例如提高磨轮的操作速度。因此可以调节操作速度以保持磨轮的圆周速度基本恒定或具有所需范围。
包含在框170内的背面EMF电路分别通过线152、154和158接收出现在线140、142和144上的电压，并且将输出信号提供到线172上以指示任何线140、142和144的非通电线的过零，其进一步被提供为微控制器117的输入。微控制器117接收放置在线172上的信号以对于线118、119和120确定适当的待激活的相位控制信号，从而以所需操作速度驱动电气部件308。该一个或多个相位控制信号是基于至少一个存储在存储器122中的控制算法而产生的。下面更详细地讨论选择适当控制信号以操作电气部件。微控制器117发送多路复用信号到线171上，以便选择性地多路复用或者从线152、154或158选择哪些信号将被放置到线172上。微控制器117通过通/断开关25进一步响应于放置到线25a上的信号。
微控制器117优选地是被设计用于BLDC控制的专用控制器如Motorola的MC68HC08MR32或等效的微控制器系列。微控制器117包含存储器122，其包括闪存122a和RAM存储器122b。闪存122a包含算法，用于有效地换向和运行BLDC电机308。RAM存储器用于临时存储可被改变的程序变量，如旋转工具速度数据。另外，微控制器117包含脉冲宽度调制(“PWM”)输出，其驱动线118、119和120以及其他I/O线以用于有效的BLDC电机控制。
图7示出了根据本发明优选实施例的用于标识工具的存储器和存储寄存器。存储器122是由多个段192组成，每个段192是由存储寄存器190组成。存储器122优选地包括：第一段190，其包括多个连续存储位置199；以及第二段192，其包括多个对应且相关的连续存储位置198。与第一段190相关联的存储位置199包括与用于标识由装置驱动的特定工具的标记35对应的数据字116的列表。第二段192的相关存储位置198针对存储在对应的存储位置199中的每个数据字116，包括工具302的操作速度例如旋转速度的二进制表示。寄存器194被示出为存储二进制字116。一般地，将来自线112的标识信号与第一段190中的数据字116的列表进行比较，以针对特定工具302从第二段192确定所需初始操作速度。在表199内存储了对应于放置在线112上的信号并且对应于条形码35的所有可能二进制字166的列表。
参见图8，根据本发明的优选实施例，用于自动调节工具的操作速度的方法从用户将开关25置于通位置而开始。响应于放置到线25a上的通/断信号并且响应于放置到线172上的信号，微控制器117将适当顺序的信号发送到线118、119和120上，以控制通过逆变器130将高电压132施加到电机绕组146、148和150上。如步骤200所示，功率从逆变器130通过线140、142和144流到电机绕组。响应于放置到线172上的信号并且响应于包含在存储器122内的控制算法，微控制器117对放置到线118、119和120上的信号定序，以对向电驱动部件308例如电机12的功率施加正确地换向。在一个实施例中，电机12随后在步骤202开始，初始地以额定速度旋转，以便让工具识别部件301读取工具302上的标记或条形码35。在优选实施例中，电机12旋转磨轮，并且这样做时在发出红外辐射76的电路70之前周期性地旋转条形码。当条形码在电路70前通过时反射表面36反射红外辐射76以形成反射能量86，该能量激发光电二极管88在线84上放置低信号。非反射表面37吸收辐射76并且因此不形成反射能量86，这导致在不被激活时光电二极管88在线84上放置高信号。因此，直接对应于放置在轮上的条形码的低和高信号序列被放置在线84上。
然后，可以对放置在线84上的信号序列进行滤波，并且由电路100整形，以形成分别由低和高数字信号115a和115b构成的串行数据序列114。可替换地或另外地，工具磨损指示器部件301评估工具磨损，例如光发射器340发出光，该光被工具302反射并且由光检测器342接收以产生基于反射光强度的磨损信号。如步骤204所示，微控制器117读取形成数据字116的标识信号如串行数据114，和/或磨损信号。字116代表由条形码所定义的轮数据。然后，微控制器117将数据字116写入存储器122的寄存器中。
然后，微控制器117可以从第一条目196开始，将存储在寄存器195中的数据字116与存储在存储器的第一段199中的数据相比较。如果在步骤206没有发生匹配，则微控制器117寻址第一段199的下一存储位置，并且将下一存储位置中存储的数据与寄存器195数据相比较，直到发生匹配。当发生匹配时，则如步骤210所示，微控制器117将来自第二段198的相关存储位置的对应数据写入正常操作主程序内的旋转速度数据存储位置中。然后，微控制器117执行正常操作程序216，以使用该旋转速度数据设置电机12的速度从而设置工具302的操作速度。然后，如步骤218所示，微控制器117可以调节装置的操作速度以考虑工具磨损。微控制器117优选地采样工具磨损即工具磨损信号，基于实时工具磨损确定而连续提供关于工具302的操作速度的控制。如果工具磨损超过工具的磨损限度时，微控制器117还可以停止工具302。
尽管为了清楚和理解起见以一定的细节描述了本发明的前述优选实施例，但是本领域技术人员从本公开的阅读中应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变，本发明的范围仅由所附权利要求限定。