電動工具的控制方法及執(zhí)行該控制方法的電動工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電動工具的控制方法，其中電動工具包括輸出軸，該控制方法包括如下步驟：測量隨時間變化的用來表示輸出軸負載的參數(shù)；獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)；獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)；根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號；以及根據(jù)所述控制信號改變所述輸出軸的輸出。本發(fā)明還涉及一種執(zhí)行該控制方法的電動工具。本發(fā)明提供的電動工具及其控制方法可以自動檢測工作頭驅(qū)動的工作件是否已到達預(yù)定位置，并且在檢測到該工作件到達預(yù)定位置后執(zhí)行相應(yīng)動作，確保其不會進一步越過該預(yù)定位置。
【專利說明】電動工具的控制方法及執(zhí)行該控制方法的電動工具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電動工具的控制方法，尤其涉及一種用于控制電動螺絲刀的輸出軸的輸出的方法。
[0002]本發(fā)明還涉及一種執(zhí)行上述控制方法的電動工具，尤其涉及一種執(zhí)行該控制方法的電動螺絲刀。

【背景技術(shù)】
[0003]現(xiàn)有的電動工具，如電動螺絲刀，通過加載的電源提供電流，來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而使工作頭旋轉(zhuǎn)以將螺釘鉆進木板中。不同類型的螺釘具有不同的主體直徑，或者具有不同的頭部形狀，如此，其鉆進同一木板中的情形也各不相同。此外，不同的木板由于材質(zhì)不同使得其硬度也不同，如此，同一螺釘鉆進不同材質(zhì)的木板中的情況也不盡相同。通常在電動螺絲刀的使用過程中，使用者需要將螺釘鉆至頭部貼近工件的表面，如此，使用者需要非常小心地關(guān)注鉆進過程，以當(dāng)螺釘?shù)念^部貼近工件的表面時控制電機停轉(zhuǎn)。從而，一方面避免螺釘頭部被過深地鉆入木板內(nèi)部，另一方面避免螺釘頭部被不小心鉆進木板后，由于遭受過大阻力而使電機過載。
[0004]通常這種電動工具會設(shè)有過載保護裝置。這種過載保護裝置可以是一種機械式離合器，可在上述電流過載的情況下，使電動工具的工作頭與電機脫離配合。采用這種過載保護裝置的電動工具通常會同時在其機殼的前部設(shè)有一個扭力罩，即一個標有若干刻度的可旋轉(zhuǎn)的罩子。這些刻度表示電動工具工作的極限扭力檔位。使用者使用時可預(yù)先通過旋轉(zhuǎn)扭力罩來設(shè)定電動工具工作的極限扭力值，也就是說，當(dāng)電動工具工作中輸出的扭力矩達到或超過該預(yù)先設(shè)定的閥值時，離合器系統(tǒng)會自動開始工作而使電動工具的工作頭和電機脫離配合。此外，采用這種過載保護裝置的電動螺絲刀也可以是在其機殼的前端延伸出一個套管，該套管的前端與電動螺絲刀的工作頭的前端基本持平。通過這種設(shè)置，當(dāng)螺釘鉆到的其頭部貼到木板的表面時，套管的前端部也貼到木板的表面，再進一步鉆動螺釘，套管會受到木板的抵壓而使其觸動機殼內(nèi)的離合器機構(gòu)，從而使工作頭和電機脫離配合。然而上述機械式離合器結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，制造麻煩，成本較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種電動工具的控制方法，其可自動確保由電動工具的工作頭驅(qū)動的工作件到達預(yù)定位置，并且該工作件不會進一步越過該預(yù)定位置。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種電動工具的控制方法，其中電動工具包括電機和由電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的輸出軸，所述輸出軸用于輸出旋轉(zhuǎn)扭矩來驅(qū)動工作頭在工件上工作，所述控制方法包括如下步驟:測量隨時間變化的用來表示輸出軸負載的參數(shù)；獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)；獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)；根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號；以及根據(jù)所述控制信號改變所述輸出軸的輸出。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供的技術(shù)方案是:一種電動工具的控制方法，其中電動工具包括電機和由電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的輸出軸，所述輸出軸用于輸出旋轉(zhuǎn)扭矩來驅(qū)動工作頭在工件上工作，所述控制方法包括如下步驟:測量隨時間變化的用來表示輸出軸負載的參數(shù)；獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)；獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)；根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號；以及根據(jù)所述控制信號調(diào)整所述輸出軸的輸出。
[0008]本發(fā)明還提供一種執(zhí)行上述控制方法的電動工具，其具有電子控制組件，可避免由工作頭驅(qū)動的工作件在到達預(yù)定位置后進一步越過該位置。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種電動工具，所述電動工具包括:輸出軸，用于驅(qū)動工作頭，以使工作頭具有旋轉(zhuǎn)速度；電機，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所述輸出軸；電源，用于供給所述電機電力；傳感器，用于測量表示輸出軸負載的參數(shù)；控制組件，用于獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)；獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)；根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號；根據(jù)所述控制信號改變所述輸出軸的輸出。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供的技術(shù)方案是:一種電動工具，該電動工具包括:輸出軸，用于驅(qū)動工作頭，以使工作頭具有旋轉(zhuǎn)速度；電機，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所述輸出軸；電源，用于供給所述電機電力；傳感器，用于測量表示輸出軸負載的參數(shù)；控制組件，用于獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)；獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)；根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號；根據(jù)所述控制信號調(diào)整所述輸出軸的輸出。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過在電動工具內(nèi)增設(shè)相關(guān)的電子控制組件來自動檢測工作頭驅(qū)動的工作件是否已到達預(yù)定位置，并且在檢測到該工作件到達預(yù)定位置后執(zhí)行相應(yīng)動作，確保其不會進一步越過該預(yù)定位置。并且，由于沒有采用復(fù)雜的機械式離合器結(jié)構(gòu)，使制造簡單，成本降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步說明。
[0013]圖1是現(xiàn)有的電動螺絲刀工作時的電流與時間的關(guān)系曲線圖。
[0014]圖2是圖1中電流對時間一次求導(dǎo)后的導(dǎo)數(shù)曲線圖。
[0015]圖3是圖1中電流對時間二次求導(dǎo)后的導(dǎo)數(shù)曲線圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的電動工具基于第一發(fā)明原理的工作原理框圖。
[0017]圖5是電動螺釘?shù)焦ぷ鲿r的電流與時間的關(guān)系曲線圖，其中表示了對應(yīng)兩種不同的工作情形時的兩個不同電流il、?2的曲線。
[0018]圖6是圖5中不同電流il、i2對時間一次求導(dǎo)后的導(dǎo)數(shù)曲線圖。
[0019]圖7是根據(jù)圖6中不同電流il、i2對時間的一階導(dǎo)數(shù)而得到的控制信號sl、s2的曲線圖。
[0020]圖8是本發(fā)明的電動工具基于第二發(fā)明原理的工作原理框圖。
[0021]圖9與圖3相似，是電動螺絲刀的工作電流對時間二次求導(dǎo)后的導(dǎo)數(shù)曲線圖。
[0022]圖10是圖9中電流對時間三次求導(dǎo)后的導(dǎo)數(shù)曲線圖。
[0023]圖11是本發(fā)明的電動工具基于第三發(fā)明原理的工作原理框圖。
[0024]圖12是本發(fā)明的電動工具另一實施方式的剖視示意圖。
[0025]圖13是圖12中局部放大圖。
[0026]圖14是圖13中遮光盤的立體示意圖。
[0027]圖15是圖13中遮光盤的另一實施方式的立體示意圖。

【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明的控制方法可應(yīng)用于多種類型的電動工具，以下主要以電動螺絲刀為【具體實施方式】進行說明。
[0029]如圖1所示的電動螺絲刀工作時電流隨時間的變化曲線圖。配合參照圖4所示，該電動螺絲刀2被使用者按壓以驅(qū)使工作件14，在本實施方式中該工作件為螺釘，鉆入一木板16中。使用者的按壓力基本上接近一個常量。其中字母t表示螺釘鉆入木板的時間及隨之螺釘在木板中相應(yīng)的位置。字母i表示提供給電動螺絲刀的電機的電流以及隨之相應(yīng)加載在電機上的負載或驅(qū)動力。
[0030]圖1中的曲線包括第一部分A，第二部分K，和第三部分B。其中第一部分A是一段上升曲線，其表示螺釘?shù)闹黧w部分鉆入木板的鉆進過程，這段上升曲線基本上是線性的，或者可以稍微有些彎曲和波折。緊隨著第一部分A的第二部分K也可以稱作拐點部分(knee)K。該拐點部分K是一個正向的曲線變化，也就是說，拐點部分K相對于第一部分A有向上傾斜的突變，這表示螺釘?shù)念^部開始接觸到木板的表面。緊隨拐點部分K的是第三部分B，其同樣是一段基本上是線性的，或者可以稍微有些彎曲和波折的上升曲線。但曲線B要比曲線A陡峭得多。
[0031]事實上，圖1中的曲線表示的是沒有應(yīng)用本發(fā)明的控制方法進行保護的電動工具的工作情況，所以曲線的第三部分B表示此時電動工具會產(chǎn)生非常高的電流而導(dǎo)致將螺釘?shù)念^部鉆入木板中。因此，有必要在拐點部分K之后采取必要的措施來避免上述產(chǎn)生過高電流的情形發(fā)生。
[0032]當(dāng)螺釘鉆至與拐點部分K對應(yīng)的位置時，繼續(xù)鉆入過程不僅會使螺釘?shù)念^部鉆入木板中，而且也可能會損壞電機。所以，本發(fā)明是基于自動檢測拐點部分K，然后在檢測到以后自動采取相應(yīng)的預(yù)防措施。
[0033]圖2和圖3將解釋本實施方式中如何檢測拐點部分K。
[0034]圖2是圖1中電流i對時間t求一階導(dǎo)數(shù)di/dt后的曲線圖。其中，圖1中的第一部分A和第二部分B在該圖上相應(yīng)顯示為平行于水平坐標軸t的直線，而第二部分K則顯示為一急速上升的曲線。
[0035]圖2是圖1中電流i對時間t求二階導(dǎo)數(shù)d2i/dt2后的曲線圖。其中，圖1中的第一部分A和第二部分B經(jīng)二次求導(dǎo)后數(shù)值已變?yōu)榱?，而第二部分K則顯示為一開口向下的拋物線，并在拋物線的頂部區(qū)域(包含拋物線頂點在內(nèi)的一個特定區(qū)間)形成一峰值信號P。配合參照圖4所示，當(dāng)該峰值信號P形成時，會隨之產(chǎn)生一個控制信號S。當(dāng)然，在優(yōu)選的實施方式中，可預(yù)先設(shè)定一個閥值V，該控制信號s僅當(dāng)峰值信號P為正值并且數(shù)值上大于預(yù)設(shè)的閥值V時產(chǎn)生。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可輕易想到的是，該控制信號s也可在電流i對時間t第一次求導(dǎo)后產(chǎn)生，如通過電容器的方式，當(dāng)檢測到一階導(dǎo)數(shù)大于一預(yù)定的閥值之后即產(chǎn)生控制信號S。
[0036]圖4所示的是本發(fā)明的應(yīng)用上述控制方法的電動工具，以下仍以電動螺絲刀為例進行說明。電動螺絲刀2包括工作組件4、電源18、和開關(guān)20。其中工作組件4包括電機6，用于驅(qū)動一工作頭8旋轉(zhuǎn)，以將一螺釘14鉆進木板16中。電機6到工作頭14之間依次通過一機械式彈簧與離合器系統(tǒng)12、以及一卡盤10連接。當(dāng)然在本實施方式中，離合器系統(tǒng)也可省去。本實施方式中，電源18是直流電源，或者是可充電電池，可在開關(guān)20閉合時供給電機6直流電。當(dāng)然，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也可輕易想到，采用交流電源替代本實施方式中的直流電源。
[0037]電源18和電機6之間連接有電子控制裝置22和用于檢測電流的傳感器24。該電動螺絲刀還包括一第一求導(dǎo)單元26和第二求導(dǎo)單元28。本實施方式中，傳感器24會實時檢測供給電機的電流i，同時生成與檢測到的電流成一定比例的信號并傳遞給第一求導(dǎo)單元26 ;而后第一求導(dǎo)單元26根據(jù)電流和時間求得如圖2所示的一階導(dǎo)數(shù)di/dt，同時生成一個與該一階導(dǎo)數(shù)成一定比例的信號并進一步傳遞給第二求導(dǎo)單元28;隨后，第二求導(dǎo)單元28求得如圖3所示的二階導(dǎo)數(shù)，并在預(yù)設(shè)條件產(chǎn)生時，如上述提到的當(dāng)峰值信號P為正值并且數(shù)值上大于預(yù)設(shè)的閥值V時，生成控制信號S。在本實施方式中，該控制信號s被用于降低電機的轉(zhuǎn)速或中斷向電機提供電力。也就是說，控制信號s被用于將供給電機的電流i減小到一個較低的水平或減至零，從而來降低電機的轉(zhuǎn)速或使電機停轉(zhuǎn)。當(dāng)然，該控制信號s也可被用于改變電流i的流向，從而使電機6能迅速的停下來。在本實施方式中，控制信號s會被傳遞到電子控制裝置22，而后由電子控制裝置22來執(zhí)行相應(yīng)的動作，這些動作可以是在峰值信號P產(chǎn)生后即時產(chǎn)生，也可以是延遲一段時間后產(chǎn)生，該延遲可以在電子控制裝置22內(nèi)實現(xiàn)，也可以通過單獨設(shè)置的延遲單元來實現(xiàn)。
[0038]圖4中的電子控制電路可以包括一個晶體管開關(guān)，用來斷開供給電機的電流。
[0039]在優(yōu)選的實施方式中，電子控制裝置22可以包括一微處理器，上述第一求導(dǎo)單元26、第二求導(dǎo)單元28、或者可能存在的延遲單元等所實現(xiàn)的功能均可以通過固化在微處理器內(nèi)的指令來執(zhí)行。也就是說，整個電子控制裝置22可以是一個微處理器。
[0040]在其他可選的實施方式中，供給電機6的電流i可以在連續(xù)的時間間隔Λ t內(nèi)測得，這些連續(xù)的時間間隔At可以是相同的。檢測到的電流i隨后被數(shù)字化處理，分別求兩個連續(xù)的時間間隔內(nèi)的電流對時間的一階導(dǎo)數(shù)di/dt，而后比較這兩個一階導(dǎo)數(shù)；如果比較的結(jié)果表明兩者基本上不相同(相當(dāng)于前述實施方式中的二次求導(dǎo))，即意味著螺釘?shù)念^部已到達木板16的表面，接著就會生成前面提到的控制信號S。
[0041]上述實施方式通過在電動工具內(nèi)增設(shè)相關(guān)的電子控制組件來自動檢測工作頭驅(qū)動的工作件是否已到達預(yù)定位置，并且在檢測到該工作件到達預(yù)定位置后執(zhí)行相應(yīng)動作，確保其不會進一步越過該預(yù)定位置。
[0042]圖5-8所示的是本發(fā)明的控制方法和電動工具的第二發(fā)明原理，以下會對基于該發(fā)明原理的各實施方式作詳細闡述。
[0043]圖5所示的是電機的電流i隨時間t的變化曲線圖。在本實施方式中，該電機的電流i是一電動螺絲刀在驅(qū)動一工作頭工作時供給電機的直流電。圖中顯示了檢測到的兩根電流曲線Al和A2。與前面的相同，檢測以及處理電機的電流是通過時鐘脈沖原理進行的，此屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的技術(shù)， 申請人:不再贅述。圖6所示的是電流曲線Al和A2經(jīng)一次求導(dǎo)后相應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)曲線。第一曲線Al與相對較軟材質(zhì)的工件，如木板，或相對較小的螺釘有關(guān)；而第二曲線A2與相對硬軟材質(zhì)的工件，或相對較大的螺釘有關(guān)。無論哪種情形，對曲線Al和A2的檢測和處理都會在控制組件22 (圖8示)中進行，在本實施方式中，該控制組件還可以包括一微處理器。
[0044]在基于第二發(fā)明原理的第一實施方式中，在一預(yù)先設(shè)定的時間點Tl,電機電流il被采集到。在微處理器中，預(yù)先存儲有一個的閥值，稱作第一閥值P1。該第一閥值Pl可能是，例如，在Tl時間點，Pl = 5A(安培)。如果此時il〈5A，意味著目前電動螺絲刀正在一塊較軟的木板上打螺釘；如果此時il>5A，意味著目前電動螺絲刀正在一塊較硬的木板上打螺釘。配合參照圖6所示，如果il〈5A，微處理器將會分派一個第一預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql ;如果il〈5A，微處理器將會分派一個第二預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值q2。上述第一和第二預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql、q2都被預(yù)先存儲在微處理器中。第一預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql可以是，例如，ql = 0.4A/s;第二預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值q2大于第一預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql，可以是，例如，q2= lA/s。也就是說，如果在時間點Tl時電機電流值il低于第一閥值P1，第一預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql會被選擇，反之，如果在時間點Tl時電機電流值il高于第一閥值P1，那么第二預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值q2會被選擇。
[0045]在圖6中，對應(yīng)曲線Al和A2的電流經(jīng)一次求導(dǎo)后相應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)曲線分別顯示為al和a2。
[0046]可以意識到的是，圖6中曲線al和a2的急速上升段對應(yīng)圖5中曲線Al和A2的突變彎曲段，也就是曲線Al和A2的拐點部分Kl和K2。前面已提到過，拐點部分Kl和K2表示螺釘?shù)念^部開始接觸到木板的表面。這些拐點部分Kl和K2在微處理器中被用于分別生成控制信號Si和s2(如圖7所示)。如圖6所示，預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql、q2分別位于曲線al、a2的急速上升段。
[0047]如圖7所示，第一預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql被選擇的時候，當(dāng)電機電流的一階導(dǎo)數(shù)值di/dt達到ql時，此時位于時間點tl的第一控制信號Si會被微處理器生成。如果根據(jù)在時間點Tl時的檢測已經(jīng)確定選擇第二曲線A2，那么當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)值di/dt達到第二預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值q2時,位于時間點t2的第二控制信號s2就被生成。
[0048]根據(jù)生成的第一控制信號Si或第二控制信號s2，電動工具的直流電機的轉(zhuǎn)速就會降低或者甚至停轉(zhuǎn)。
[0049]也就是說:在預(yù)設(shè)時間點Tl時，例如在啟動電機后的I秒或2秒時，微處理器讀取電機電流i。如果工作頭是小螺釘以及/或者工件是較軟材質(zhì)的木板，此時的工作電流i相對較小，電流隨時間變化的曲線就如同圖5中的第一曲線Al。在時間點Tl時采集到的電流為第一電流il，可以是3A左右，微處理器就會選擇第一一階導(dǎo)數(shù)值ql (預(yù)先儲存在其中)來與電流對時間的一階導(dǎo)數(shù)di/dt進行比較。如此，當(dāng)di/dt的值達到ql時,對應(yīng)時間點為tl，對應(yīng)供給電機的電流為11，此時，電機的轉(zhuǎn)速就會被ql所觸發(fā)的第一控制信號Si控制而降速。如果工作頭是大螺釘以及/或者工件是較硬材質(zhì)的木板，此時電流隨時間變化的曲線就如同圖5中的第二曲線A2。如此在時間點TI時采集到的第二電流i2會高于第一電流il，例如，i2 = 7A。因此，在預(yù)設(shè)時間點Tl時微處理器就會選擇第二一階導(dǎo)數(shù)值q2(預(yù)先儲存在其中)。當(dāng)a2曲線上的di/dt值達到q2時，對應(yīng)時間點為t2，對應(yīng)供給電機的電流為12，此時，電機的轉(zhuǎn)速就會被生成的第二控制信號s2控制而降速。
[0050]在基于第二發(fā)明原理的第二實施方式中，在預(yù)設(shè)時間點Tl時的電機電流i同樣會被采集到。此時，微處理器會判斷在Tl時檢測到的電流i的值是否會低于預(yù)設(shè)的第一閥值P1，例如上述實施方式中的電流值il，或者是否高于預(yù)設(shè)的第一閥值P1，但低于預(yù)設(shè)的第二閥值P2，例如上述實施方式中的電流值i2。如果檢測到的電流值是il，則第一曲線Al就會被分派到一個預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql ;如果檢測到的電流值是i2，則第二曲線A2就會被分派到一個較大的預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值q2。接下來，就如同第一實施方式中所提到的個步驟，位于拐點K1、K2的一階導(dǎo)數(shù)di/dt就會再次被微處理器用到來生成相應(yīng)的控制信號S1、s2。
[0051]需要注意的是，在第一實施方式中只有一個預(yù)設(shè)閥值Pl被使用到，而在第二實施方式中有兩個預(yù)設(shè)閥值P1、P2被使用到。
[0052]這同樣也可以應(yīng)用到第二實施方式中:如果工作頭是非常大的螺釘以及/或者工件的材質(zhì)非常硬，微處理器會同樣使用到預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)的第三閥值P3(如圖5所示)和第三一階導(dǎo)數(shù)值q3 (如圖6所示)。需要說明的是，這些閥值P1、P2、P3以及這些一階導(dǎo)數(shù)值ql、q2、q3被預(yù)先儲存在微處理器內(nèi)，用于在預(yù)設(shè)時間點Tl時，根據(jù)檢測到的不同電流值il、i2、?3而分別被單獨地喚醒。當(dāng)然，可視情形使用更多的閥值P和一階導(dǎo)數(shù)值q。
[0053]這些閥值P和一階導(dǎo)數(shù)值q可以是通過一系列的測試(例如，測試不同規(guī)格的螺釘在不同材質(zhì)或規(guī)格的工件上進行工作)而獲得并預(yù)先儲存在微處理器中。
[0054]圖8所示的電動工具2，例如電動螺絲刀，使用了上述基于第二發(fā)明原理的實施方式進行工作。其中，大多數(shù)元件和圖4所示的實施方式相同或相近似，所以，對這些元件使用相同的標號。
[0055]圖8的右側(cè)所示的電動螺絲刀的工作組件4包括直流電機6，用來驅(qū)動夾持在工具夾頭10上的工作頭8。工具夾頭10和電機6之間通過一機械式彈簧與離合器系統(tǒng)12連接。工作頭8用于旋轉(zhuǎn)一螺釘14以將其擰入木板中16。電源18是直流電源，可以是可充電電池，可在扳機開關(guān)20閉合時供給電機6直流電流i。
[0056]電源18和電機6之間連接有電子控制裝置22和用于檢測電流的傳感器24。電流傳感器24會實時檢測供給電機的電流，同時生成與檢測到的電流成一定比例的信號并傳遞給求導(dǎo)單元26。求導(dǎo)單元26隨后生成一個與電流對時間的一階導(dǎo)數(shù)di/dt成一定比例的信號。求導(dǎo)單元26的輸出端連接到一個存儲與處理單元32的輸入端。
[0057]存儲與處理單元32內(nèi)儲存有，如上述第一實施方式中所述的，單一的閥值Pl以及第一和第二一階導(dǎo)數(shù)值ql和q2。在預(yù)設(shè)時間點Tl，如果電流il低于閥值P1，存儲與處理單元32選擇第一一階導(dǎo)數(shù)值ql ;如果電流i2高于閥值P1，則存儲與處理單元32選擇第二一階導(dǎo)數(shù)值q2。其中第二一階導(dǎo)數(shù)值q2大于第一一階導(dǎo)數(shù)值ql。當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)數(shù)di/dt達到第一或第二預(yù)設(shè)一階導(dǎo)數(shù)值ql或q2時，存儲與處理單元32相應(yīng)生成控制信號si或s2。此時，螺釘頭部已經(jīng)到達木板的表面。存儲與處理單元32將控制信號Si或s2傳遞給電子控制裝置22。該電子控制裝置22用于減少或者斷開供給電機6的電力。也就是說，控制信號Si或s2被用來使供給電機的電流i降低到零或者一個較低的值以使電機停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速基本上為零。在本實施方式中，控制信號s通過電子控制電路30來實現(xiàn)這個目的。對電機的降速控制可以在脈沖信號P產(chǎn)生后即時執(zhí)行，也可以是延后一特定的時間來執(zhí)行?？刂菩盘朣i或s2也可以用來改變電流i的流向，從而使電機迅速停轉(zhuǎn)。
[0058]在優(yōu)選的實施方式中，電子控制裝置可以包括一微處理器，上述求導(dǎo)單元26、存儲與處理單元32、電子控制電路30、或者用來延遲控制信號s的延遲單元(未圖示)都可以通過固化在微處理器內(nèi)的指令來執(zhí)行。也就是說，電子控制裝置22可以由一個微處理器來取代。
[0059]圖9-11所示的是本發(fā)明的控制方法和電動工具的第三發(fā)明原理，其是基于圖1-4所示的第一發(fā)明原理上延伸出來的，因此，下面僅說明兩者的區(qū)別之處。第三發(fā)明原理使用了電流對時間的第三次求導(dǎo)來降低電動工具2的轉(zhuǎn)速。
[0060]在【具體實施方式】中，控制方法會繼續(xù)圖1-3所示的各步驟。圖9是電流對時間的二次求導(dǎo)曲線的再現(xiàn)，該曲線已經(jīng)在圖3中顯示過了。如圖10所示，在二階導(dǎo)數(shù)d2i/dt2的基礎(chǔ)上，進一步求出了電流對時間的三階導(dǎo)數(shù)d3i/dt3。當(dāng)三階導(dǎo)數(shù)曲線的波峰區(qū)段出現(xiàn)后，如果檢測到三階導(dǎo)數(shù)值d3i/dt3大于預(yù)先給出的閥值vl，并且為正值時，控制信號s就被生成了?？刂菩盘杝隨后被用于降低電動工具2的轉(zhuǎn)速。
[0061]本領(lǐng)域的技術(shù)人員可據(jù)次得知，通過檢測四階、五階或更高階的導(dǎo)數(shù)來實現(xiàn)控制信號s的生成。由于這些都可輕易推斷出， 申請人:在此不在贅述。
[0062]參考圖11所示的電路，需要注意的是，二次求導(dǎo)單元28輸出的信號傳遞給了三次求導(dǎo)單元34，然后生成三階導(dǎo)數(shù)d3i/dt3。隨著第三求導(dǎo)單元輸出信號，一個正的脈沖值pi被輸入了電子控制電路30，其被視作控制信號S。通過電子控制電路30，控制信號s使得供給電機6的直流電流i被減小或者甚至完全被斷開。
[0063]需要再次注意的是，電子控制裝置22的所有組成單元可以被一個微處理器所取代。
[0064]根據(jù)之前提到的第二實施方式中，存儲與處理單元32可以在其內(nèi)儲存一階導(dǎo)數(shù)值q2，或者可以包含若干一階導(dǎo)數(shù)值ql、q2、q3、……qn以及若干閥值P1、P2、P3、……Pn來進行處理。
[0065]圖5-8所述的步驟以及保護裝置同樣具有在螺釘14的頭部到達木板16表面后產(chǎn)生快速和可靠的響應(yīng)。該保護裝置全部通過電子方式來實現(xiàn)。
[0066]需要注意的是上述各實施方式中提到的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)或更高階導(dǎo)數(shù)并不僅限于純粹數(shù)學(xué)意義上的導(dǎo)數(shù)定義，還可以包含實際工程應(yīng)用中基于導(dǎo)數(shù)原理進行簡單的等效變換。例如，一階導(dǎo)數(shù)也可以表示成連續(xù)的時間間隔At內(nèi)的電流變化八1，即Ai/At。為方便工程應(yīng)用，可將Λ t取為一個非常小的等值，如Λ t = 10ms,如此，只需要不斷的判斷電流i的差值就可以實現(xiàn)等效于求一階導(dǎo)數(shù)的運算。例如，在連續(xù)的固定時間間隔點檢測到電流值為il、i2、i3、i4、i5……，如此相應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)為i2-1l、i3_i2、i4-13、i5_i4……，二階導(dǎo)數(shù)為i3-2i2+il、i4-2i3+i2、i5-2i4+i3……。并且，通過這種方式，可以不需要預(yù)先求得一階導(dǎo)數(shù)而直接獲得二階導(dǎo)數(shù)。據(jù)此類推，對更高階導(dǎo)數(shù)所作的類似等效變換都包含在本發(fā)明中導(dǎo)數(shù)的含義內(nèi)。
[0067]以下將討論基于二階導(dǎo)數(shù)或更高階導(dǎo)數(shù)來生成控制信號的另一實施方式。以二階導(dǎo)數(shù)為例，電動螺絲刀有時在工作時會碰到一些異常情況而導(dǎo)致工作電流發(fā)生非正常突變，從而使所獲得的二階導(dǎo)數(shù)被干擾。這些異常情況如，當(dāng)螺釘在擰入木板的過程中遇到木板中的節(jié)疤而導(dǎo)致電流突然升高；或者在電機剛啟動時電流突然大幅上升并在還未進入平穩(wěn)期時就進行檢測；或者在使用直流電池包作為電源時，電池包因過放而導(dǎo)致電壓迅速下降，進而使得電流發(fā)生突變；或者使用者在使用過程中手臂發(fā)生突然抖動，而導(dǎo)致電流突變。如果上述情況發(fā)生時螺釘還未完全擰入木板，根據(jù)這時的電流對時間而計算得到的二階導(dǎo)數(shù)就有可能產(chǎn)生干擾，也就是說，此時生成的二階導(dǎo)數(shù)可能也會達到或超過預(yù)設(shè)閥值V(如圖3所示)，而此時控制組件，如圖4中所示的電子控制裝置22，就會錯誤地認為螺釘已經(jīng)完全擰入木板中而切斷供給電機的電力，這顯然是使用者不愿意看到的。
[0068]當(dāng)遇到上述異常情況時，此時的電流值往往相比螺釘完全擰入木板時的電流值要小，所以為解決上述問題，控制組件可以將二階導(dǎo)數(shù)的值與相應(yīng)的電流值(即以此電流值為基礎(chǔ)而相應(yīng)計算得到的該二階導(dǎo)數(shù)的值)進行乘積，并為該乘積值預(yù)設(shè)一個新的閥值，當(dāng)該二階導(dǎo)數(shù)與相應(yīng)電流的乘積為正值且數(shù)值大于或等于新閥值時生成相應(yīng)的控制信號來降低電機的速度或停機。顯然，新的閥值要比原閥值V大得多，通過這種方式，使得實際想要的二階導(dǎo)數(shù)與產(chǎn)生干擾的二階導(dǎo)數(shù)之間的差距被放大，從而使用更大的閥值來將實際想要的二階導(dǎo)數(shù)篩選出來。當(dāng)然在其他實施方式中，可以將電流或一階導(dǎo)數(shù)或二階導(dǎo)數(shù)與一個固定常數(shù)的乘積，電流或一階導(dǎo)數(shù)或二階導(dǎo)數(shù)的η次方、電流與相應(yīng)一階導(dǎo)數(shù)的乘積、二階導(dǎo)數(shù)與相應(yīng)一階導(dǎo)數(shù)的乘積、二階導(dǎo)數(shù)與相應(yīng)一階導(dǎo)數(shù)以及電流的乘積、一階或二階導(dǎo)數(shù)加上某個趨近于90的值后再求正切函數(shù)值(如tan (89+ 一階或二階導(dǎo)數(shù)))、一階或二階導(dǎo)數(shù)的余切函數(shù)值(如ctan (—階或二階導(dǎo)數(shù)))、或以任意值a為底數(shù)且數(shù)值I與一階或二階導(dǎo)數(shù)的差值為真數(shù)的對數(shù)函數(shù)值(如loga(l-—階或二階導(dǎo)數(shù)))與對應(yīng)的閥值進行比較，當(dāng)上述值在數(shù)值(即絕對值)上大于或等于其對應(yīng)的閥值(該閥值為一正數(shù))時，生成控制信號來降低電機的速度或停機。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以輕易想到的時，上述實施方式同樣可應(yīng)用于高階導(dǎo)數(shù)， 申請人:在此不再予以贅述。
[0069]上述實施方式中，均以電機的電流作為檢測參數(shù)來表示輸出軸(即圖8和圖11中位于夾頭10和離合器系統(tǒng)12之間的連接軸)的負載，也就是說，當(dāng)螺釘在擰入木板的過程中，輸出軸會受到阻力矩，通過檢測電流就可以反映阻力矩的變化，從而判斷螺釘是否已完全擰入木板中。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可輕易想到的是，用來表示輸出軸負載的參數(shù)并不限于電流，還可以是電壓，如檢測與電機串聯(lián)的電阻上的壓降；或者是轉(zhuǎn)速，如采用霍耳效應(yīng)檢測元件(Hall Sensor)來檢測電機或輸出軸的轉(zhuǎn)速；或者是電機的效率，如通過計算電機的輸出和輸入功率比來檢測電機的效率。
[0070]圖12到圖15揭示了一種具體的檢測方式。如圖12所示，在本實施方式中，還是以電動螺絲刀2為例,其包括機殼5、設(shè)置在機殼內(nèi)的電機6、輸出軸9、連接在電機6和輸出軸9之間的齒輪減速機構(gòu)7、以及設(shè)置在輸出軸9上的夾頭10。在本實施方式中，齒輪減速機構(gòu)7為三級行星齒輪減速機構(gòu)，其包括第一、二、三行星架71、72、73，設(shè)置在相應(yīng)行星架上的若干第一、二、三行星輪711、721、731，以及設(shè)置在相應(yīng)若干行星輪外周的第一、二、三齒圈712、722、732。本實施方式中，一扭簧51設(shè)置在機殼5和第三齒圈732之間，其中扭簧51的一端和機殼5相對固定設(shè)置，另一端和第三齒圈732固定連接。當(dāng)輸出軸9所受的負載發(fā)生變化時，第三齒圈732會克服扭簧51的扭力而旋轉(zhuǎn)。傳感器組件24同樣設(shè)置在機殼5和第三齒圈732之間。如圖13的放大結(jié)構(gòu)所示，傳感器組件24包括固定設(shè)置在機殼5上的感測件241，和固定設(shè)置在第三齒圈732上的移動件242，本實施方式中，感測件241優(yōu)選為光電傳感器，移動件242優(yōu)選為環(huán)形的遮光盤。配合參見圖14所示，遮光盤242包括均勻設(shè)置在圓周上的多個通孔2421，此外，參見圖15所示，遮光盤242也可以使用透光材料制成，遮光盤242的圓周上均勻設(shè)置有多個不透光的條紋2422。
[0071]當(dāng)?shù)谌X圈732產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，其會帶動遮光盤242相對于光電傳感器241轉(zhuǎn)動，從而光電傳感器241發(fā)出的光線便會被遮光盤242遮住，或者穿過遮光盤242的通孔2421，光電傳感器241記錄下通過的通孔2421的個數(shù)并生成脈沖信號(每個脈沖代表角位移量，即角位移量/脈沖)，該信號傳遞給控制組件，控制組件經(jīng)過計算，將脈沖信號換算成相應(yīng)的角位移量，同時根據(jù)扭簧51的剛度(扭矩/角度)與角位移量相乘得到扭簧51所受的扭矩，從而得出輸出軸9所受到的負載扭矩的大小。在本實施方式中，通過檢測齒圈相對機殼的位移來獲得輸出軸的負載扭矩，當(dāng)然在其他實施方式中，也可以通過檢測內(nèi)齒圈作用于機殼的壓力(如通過壓力傳感器)，或者檢測行星架的轉(zhuǎn)速(霍耳檢測元件)來表示或進一步計算出輸出軸負載扭矩的大小。
[0072]上述以電動螺絲刀為例進行說明，當(dāng)然，本發(fā)明的控制方法也可以應(yīng)用于其他電動工具，如電鉆、電動扳手等。由于這種應(yīng)用對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可通過上述實施方式輕易實現(xiàn)，所以 申請人:在此不再予以贅述。
【權(quán)利要求】
1.一種電動工具的控制方法,其中電動工具包括電機和由電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的輸出軸，所述輸出軸用于輸出旋轉(zhuǎn)扭矩來驅(qū)動工作頭在工件上工作，其特征在于，所述控制方法包括如下步驟: 測量隨時間變化的用來表示輸出軸負載的參數(shù)； 獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)； 獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)； 根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號；以及 根據(jù)所述控制信號改變所述輸出軸的輸出。
2.—種電動工具的控制方法,其中電動工具包括電機和由電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的輸出軸，所述輸出軸用于輸出旋轉(zhuǎn)扭矩來驅(qū)動工作頭在工件上工作，其特征在于，所述控制方法包括如下步驟: 測量隨時間變化的用來表示輸出軸負載的參數(shù)； 獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)； 獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)； 根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號；以及 根據(jù)所述控制信號調(diào)整所述輸出軸的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其特征在于:所述參數(shù)為供給電動工具的電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其特征在于:所述參數(shù)為輸出軸轉(zhuǎn)速、電機的電壓、電機轉(zhuǎn)速、或電機效率中的一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其特征在于:所述電動工具還包括機殼和收容在機殼內(nèi)的行星齒輪傳動機構(gòu)，所述行星齒輪傳動機構(gòu)包括行星架、設(shè)置在行星架上的行星輪、環(huán)繞行星輪設(shè)置的齒圈；所述參數(shù)為行星架的轉(zhuǎn)速、齒圈相對機殼的位移、齒圈作用于機殼的壓力中的一個。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其特征在于:在生成相應(yīng)的控制信號的步驟前還包括預(yù)先設(shè)定預(yù)設(shè)閥值，當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積大于或等于所述預(yù)設(shè)閥值時生成相應(yīng)的控制信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其特征在于:所述控制信號即時或在預(yù)定的延遲時間后生成。
8.—種電動工具,其特征在于,所述電動工具包括: 輸出軸，用于驅(qū)動工作頭，以使工作頭具有旋轉(zhuǎn)速度； 電機，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所述輸出軸； 電源，用于供給所述電機電力； 傳感器，用于測量表示輸出軸負載的參數(shù)； 控制組件，用于 獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)； 獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)； 根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號； 根據(jù)所述控制信號改變所述輸出軸的輸出。
9.一種電動工具,其特征在于,該電動工具包括: 輸出軸，用于驅(qū)動工作頭，以使工作頭具有旋轉(zhuǎn)速度； 電機，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所述輸出軸； 電源，用于供給所述電機電力； 傳感器，用于測量表示輸出軸負載的參數(shù)； 控制組件，用于 獲得所述參數(shù)對時間的一階導(dǎo)數(shù)； 獲得所述參數(shù)對時間的二階導(dǎo)數(shù)或高階導(dǎo)數(shù)； 根據(jù)所述一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積生成相應(yīng)的控制信號； 根據(jù)所述控制信號調(diào)整所述輸出軸的輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的電動工具，其特征在于:所述控制組件存儲有預(yù)設(shè)閥值，當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)的乘積或所述一階導(dǎo)數(shù)與高階導(dǎo)數(shù)的乘積大于或等于所述預(yù)設(shè)閥值時，所述控制組件生成相應(yīng)的控制信號。
【文檔編號】B25B21/00GK104485860SQ201410624039
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2009年1月4日 優(yōu)先權(quán)日:2009年1月4日
【發(fā)明者】唐向陽 申請人:蘇州寶時得電動工具有限公司