付彥超，李祥

（ 深圳拓邦股份有限公司，廣東 深圳 518101 ）

0 引言

手持式電動(dòng)工具在日常生活大規(guī)模應(yīng)用的同時(shí)，也帶來一定數(shù)量的人身傷害事件。根據(jù)美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國(guó)一年的勞工致命傷害中，有68 %的事件與電動(dòng)工具（包含重型設(shè)備及手持工具）有關(guān)。為減少人身傷害事件發(fā)生，OSHA在工程控制和工具操作過程控制等方面給出了相應(yīng)建議。其中，特別提出要進(jìn)行防反沖保護(hù)，無論是工具整機(jī)或是個(gè)人防護(hù)用品的佩戴。

1 概述

電動(dòng)工具的反沖現(xiàn)象也稱為回彈，是指工具在使用過程中因動(dòng)力部件被卡住，受巨大的反作用力而不受控制向操作者反彈，或不受控制向工件正常加工方向的相反方向運(yùn)動(dòng)。反沖現(xiàn)象不僅造成加工件及工具的損傷，更重要的是對(duì)操作者造成嚴(yán)重的人身傷害。

2 原因分析

通常，因加工件異常（硬度或濕度不均以及工件內(nèi)部缺陷等）或不當(dāng)使用方式（加工過程中突然加大用力、用力方向改變或偏移等）致使工具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，如電圓鋸鋸片、角磨機(jī)磨盤、電鉆鉆頭、鏈鋸鏈條等卡住或偏離中心，產(chǎn)生突然的反作用力促使工具不受控制地抬起、脫離工件并反向沖向操作者。

如操作者使用電圓鋸切割木板時(shí)，木板材質(zhì)不均，或受重力作用下垂使切口收攏擠壓鋸片卡住后，電動(dòng)機(jī)的反作用力驅(qū)使工具朝向操作者快速回彈；或當(dāng)操作者對(duì)電圓鋸施加一個(gè)較大的力度，鋸片扭曲偏離既定切割面，鋸片后邊緣鋸齒切入木板表面，跳出切口并驅(qū)使工具朝向操作者快速回彈。嚴(yán)重時(shí)可切傷操作者的手指、腿部等身體部位，存在較大的人傷風(fēng)險(xiǎn)。又如操作者使用大功率錘鉆在建筑物墻壁鉆孔時(shí)，鉆頭觸碰墻內(nèi)鋼筋引發(fā)堵轉(zhuǎn)，工具受反作用力后反向旋轉(zhuǎn)。此時(shí)整機(jī)雖不會(huì)向操作者方向反沖，但突然的反向旋轉(zhuǎn)可造成操作者手腕、手臂、下顎等承受部位嚴(yán)重?fù)p傷。

3 抑制措施及檢測(cè)方法

預(yù)防反沖或回彈現(xiàn)象發(fā)生采用的措施通常從操作者和工具整機(jī)兩個(gè)方面進(jìn)行。

針對(duì)操作者，一是加強(qiáng)工具正確使用方法的事前培訓(xùn)，如美國(guó)勞工部針對(duì)各種電動(dòng)工具的操作者，都有詳細(xì)的工具使用方法及注意事項(xiàng)培訓(xùn)，如針對(duì)不同工件如何選擇合適的工具及其配件、使用工具時(shí)雙手握穩(wěn)、定期對(duì)工具進(jìn)行維護(hù)以及及時(shí)更換工具關(guān)鍵配件等；二是通過法規(guī)形式強(qiáng)制操作者在使用工具工作時(shí)必須佩戴個(gè)人防護(hù)用品（PPE），如頭盔、護(hù)目鏡等。

針對(duì)工具整機(jī)，則要求工具制造商在整機(jī)中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)防反沖功能，目前已在主流電動(dòng)工具制造商中形成共識(shí)，如Bosch的Electronic Rotation Control（ERC）技術(shù)，Hilti的Active Torque Control（ATC）技術(shù)，Dewalt的Anti-Rotation E-Clutch System等，采用的技術(shù)雖不相同，但實(shí)現(xiàn)的防反沖效果基本一致。

常用的檢測(cè)方法為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。

3.1 直接檢測(cè)法

直接檢測(cè)法，指在工具整機(jī)中加入檢測(cè)工具角度或運(yùn)動(dòng)加速度的傳感器，根據(jù)傳感器輸出信號(hào)判斷是否發(fā)生反沖工況并及時(shí)做出反應(yīng)。常用的傳感器為加速度傳感器和陀螺儀。

在工具的適當(dāng)位置安裝加速度傳感器是直接有效的反沖工況識(shí)別方式。美國(guó)專利US20140166323A1公示了一種防反沖方法，在工具中加入3軸加速度傳感器，根據(jù)其輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)工具在任意方向上的反沖，及時(shí)做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，降低潛在的傷害風(fēng)險(xiǎn)程度。采用3軸加速度傳感器，皆因反沖發(fā)生時(shí)，工具快速回彈方向并非固定不變，操作者本身及其周邊人等都有可能受到反沖傷害。美國(guó)專利US20170361449公式了另一種防反沖方法，在工具中加入陀螺儀或其他類似功能的角度傳感器、角速度傳感器，同樣可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工具在任意方向上的反沖，及時(shí)做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。而在美國(guó)專利US20190126456公示的防反沖方法中，在工具中同時(shí)加入速度傳感器和陀螺儀（或角度傳感器），并根據(jù)這兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)組合，使得工具防反沖功能更加全面且更有針對(duì)性。

以錘鉆為例，當(dāng)微控制器（MCU）檢測(cè)到工具設(shè)置為電錘工作模式時(shí)，不進(jìn)行反沖工況識(shí)別。當(dāng)檢測(cè)到工具設(shè)置為電鉆工作模式時(shí)，則進(jìn)行反沖工況識(shí)別。陀螺儀輸出信號(hào)識(shí)別工具工作方向，加速度傳感器輸出信號(hào)識(shí)別反沖工況是否發(fā)生。

識(shí)別為鉆頭向下工作時(shí)，此時(shí)的工具應(yīng)用場(chǎng)景多為操作者在地面對(duì)鋼板、木板等工件進(jìn)行鉆孔操作。該工況下發(fā)生反沖，可能傷及操作者手臂和腿部；

識(shí)別為鉆頭與地面法向軸垂直時(shí)，此時(shí)的工具應(yīng)用場(chǎng)景多為操作者面對(duì)墻壁鉆孔或擰螺絲。該工況下發(fā)生反沖，可能傷及操作者手臂和下顎；

識(shí)別為鉆頭向上工作時(shí)，此時(shí)的工具應(yīng)用場(chǎng)景多為操作者（借助扶梯）對(duì)房屋的天花板進(jìn)行鉆孔操作。該工況下發(fā)生反沖，則可能傷及操作者手臂和頭部，或因反沖發(fā)生時(shí)從扶梯跌落而傷及身體其他部位。

使用加速度傳感器和陀螺儀（或角度傳感器）輸出信號(hào)的組合，可全面識(shí)別反沖發(fā)生時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行有針對(duì)性的防反沖保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景自動(dòng)設(shè)置反沖工況識(shí)別靈敏度及不同的應(yīng)對(duì)方式，如降低輸出功率、自由停機(jī)、按一定減速度停機(jī)或立即停機(jī)等。

直接檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是反沖工況檢測(cè)及時(shí)準(zhǔn)確，為工具提供快速且工況適應(yīng)性更廣泛的保護(hù)動(dòng)作。缺點(diǎn)是成本高，整機(jī)開發(fā)難度大，既要考慮傳感器安裝位置及方式，又要考慮如何處理傳感器輸出信號(hào)，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期延長(zhǎng)，整機(jī)潛在失效風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加。

3.2 間接檢測(cè)法

間接檢測(cè)法，指通過工具整機(jī)利用現(xiàn)有傳感器信號(hào)，如電機(jī)位置傳感器、電流傳感器等，通過算法開發(fā)間接推斷是否發(fā)生反沖工況。其實(shí)現(xiàn)原理基于反沖現(xiàn)象并不是瞬間發(fā)生的，而是有一定的過程[1]。在發(fā)生反沖的早期階段，工具負(fù)載明顯且迅速增大，恒功率輸入條件下，通過轉(zhuǎn)速變化可檢測(cè)，即在發(fā)生反沖的早期階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速明顯且迅速降低。如在使用手持式電動(dòng)工具對(duì)木材（木板或圓木）加工時(shí)發(fā)生反沖，工具附件（鋸片或鏈條等）即將被卡死時(shí)存在10ms∽200ms的緩沖期，對(duì)于電子控制器而言，緩沖期間可及時(shí)檢測(cè)并做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

早期的間接檢測(cè)法方案較多采用速度傳感器信號(hào)，將速度在短時(shí)內(nèi)急劇下降等同于反沖發(fā)生，如專利US4267914所示的技術(shù)方案。基于早期的電動(dòng)工具采用串勵(lì)電機(jī)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在勵(lì)磁磁通較小時(shí)幾乎與電流的平方成正比，隨著飽和的增加，與電流在1與2之間的某次冪成正比[2]。負(fù)載增加時(shí)，串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯下降，即其機(jī)械特性偏軟。

當(dāng)前，越來越多的電動(dòng)工具采用無刷直流電機(jī)提供動(dòng)力，兩相120°導(dǎo)通方波控制驅(qū)動(dòng)。與串勵(lì)電機(jī)相比，采用方波控制的無刷直流電機(jī)機(jī)械特性偏硬。負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速雖有下降，但并不如串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降明顯。因此，僅用轉(zhuǎn)速下降判斷反沖工況是否發(fā)生欠缺嚴(yán)謹(jǐn)。專利US8786220B2所示的技術(shù)方案，同時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩（無刷直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電流成正比，通過檢測(cè)電流折算電機(jī)轉(zhuǎn)矩）和轉(zhuǎn)速，達(dá)到準(zhǔn)確判定反沖是否真實(shí)發(fā)生的目的。

間接檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是方案實(shí)現(xiàn)成本低，無需額外增加傳感器及其外圍硬件電路，僅依靠工具現(xiàn)有傳感器信號(hào)即可，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。然而，間接檢測(cè)法的缺點(diǎn)也很明顯，即準(zhǔn)確率低。同時(shí)，因提供動(dòng)力的電機(jī)特性不同，傳感器信號(hào)處理方式及靈敏度要求也不相同，信號(hào)處理的軟件同樣復(fù)雜。

4 保護(hù)措施

成功判定反沖工況真實(shí)發(fā)生后，需立即實(shí)施相應(yīng)保護(hù)。常見防反沖保護(hù)為：

1）切斷電機(jī)供電電源，電機(jī)自由（滑行）停機(jī)；

2）降低電機(jī)輸出功率，迅速減速，也稱軟剎車；

3）電機(jī)迅速停機(jī)，或轉(zhuǎn)速至少降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，也稱硬剎車；

4）切斷工具動(dòng)力傳輸。

針對(duì)軟剎車，常用方案為降低電機(jī)控制電壓的占空比，如專利US10220500B2所示技術(shù)，檢測(cè)到反沖工況時(shí)，電機(jī)控制電壓的占空比在10ms~30ms內(nèi)由100%降至3%，占空比的降低規(guī)律可為線性、指數(shù)型或其他函數(shù)形式。

針對(duì)硬剎車，常用方案為通過離合器剎車實(shí)現(xiàn)，如專利US20210078132A1所示技術(shù)；或如專利US10326385B2所示技術(shù)，通過電機(jī)繞組短路實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)切斷工具動(dòng)力傳輸，其實(shí)現(xiàn)方式可分為機(jī)械式和電子式。

在機(jī)械式中，一種實(shí)現(xiàn)方式是在工具整機(jī)中引入防反沖離合器系統(tǒng)，系統(tǒng)由主動(dòng)離合器片、從動(dòng)離合器片、凸柱和壓縮彈簧組成。主動(dòng)離合器片與電機(jī)輸出軸相連，從動(dòng)離合器片與工具動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸相連。主動(dòng)離合器片設(shè)有多個(gè)凸柱，受壓縮彈簧推力嵌入從動(dòng)離合器片對(duì)應(yīng)凹孔。當(dāng)工具正常工作時(shí)，防反沖離合器系統(tǒng)能夠保證電機(jī)輸出軸與工具動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸的可靠連接，令工具持續(xù)輸出動(dòng)力對(duì)工件進(jìn)行加工。發(fā)生反沖工況，如電圓鋸的鋸片被卡在木材切割縫隙時(shí)，突然增大的負(fù)載使從動(dòng)離合器片上的凹孔內(nèi)壁推動(dòng)主動(dòng)離合器片上的凸柱，克服壓縮彈簧推力，凸柱從凹孔中退出，切斷電機(jī)輸出軸與工具動(dòng)力輸出軸之間的動(dòng)力連接，從而阻止工具反沖傷及使用者。這種保護(hù)僅是切斷電機(jī)輸出軸與工具動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸之間的聯(lián)系，并無主動(dòng)剎車停機(jī)，如專利US20090102407A1所示的技術(shù)方案。

另一種實(shí)現(xiàn)方式通過在工具中置入反沖制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。制動(dòng)器可在反沖發(fā)生時(shí)切斷電機(jī)輸出軸和工具動(dòng)力軸之間聯(lián)系，并且對(duì)電機(jī)進(jìn)行剎車處理。如專利US5813123中，公布了一種鏈鋸反沖制動(dòng)器，由剎車鼓、剎車帶、彈簧和防護(hù)擋板構(gòu)成。操作者必須雙手握持工具進(jìn)行工作，工具正常工作時(shí)，防護(hù)擋板被設(shè)置在待機(jī)位置，一旦發(fā)生反沖，工具回彈的過程中防護(hù)擋板被操作者手背觸發(fā)，原本被拉伸的彈簧開始收縮，拉緊剎車帶對(duì)剎車鼓進(jìn)行制動(dòng)，同時(shí)切斷電機(jī)與電源的連接使其停機(jī)。

在電子式切斷動(dòng)力傳輸?shù)谋姸喾绞街校Ｒ姙殡娮与x合器系統(tǒng)，即通過電子控制器判定是否發(fā)生反沖，同時(shí)通過控制器實(shí)現(xiàn)：或立即切斷電機(jī)電源，使其停機(jī)；或按照一定規(guī)律降低電機(jī)輸出功率直至停機(jī)；或使電機(jī)抖動(dòng)，發(fā)出類似于機(jī)械棘輪聲后停機(jī)。如專利US10850380中所示技術(shù)。該方式優(yōu)點(diǎn)在于無論用戶選擇高速模式或低速模式，都可控制整機(jī)輸出最大扭力，而傳統(tǒng)的機(jī)械式離合器系統(tǒng)僅能在高速模式控制輸出最大扭力。

電子離合器系統(tǒng)缺點(diǎn)在于控制算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，理論上電機(jī)輸出平均轉(zhuǎn)矩與流過電機(jī)繞組的電流成正比，但考慮到工具整機(jī)齒輪箱減速比及齒輪間隙、電池包電壓變化、電機(jī)加減速（用戶按下調(diào)速開關(guān)的力度）、電流RMS值測(cè)量精度、負(fù)載變化等影響，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及流經(jīng)電機(jī)繞組的電流呈一定的非線性，這對(duì)電子離合器系統(tǒng)的控制算法開發(fā)提出了較大挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語

綜上，任何實(shí)現(xiàn)切割、打磨、鉆削功能的電動(dòng)工具，都在一定程度上存在反沖或回彈風(fēng)險(xiǎn)。隨著電芯、半導(dǎo)體技術(shù)及制造能力的發(fā)展，手持式電動(dòng)工具輸出功率不斷增大，帶來工作便利與效率提升的同時(shí)，工具反沖帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加，這對(duì)工具的防反沖保護(hù)提出了更高的要求。本文整理和分析現(xiàn)有的防反沖功能檢測(cè)原理和保護(hù)方式，旨在為后期的大功率電動(dòng)工具防反沖功能開發(fā)設(shè)計(jì)帶來一定的啟發(fā)作用。