付彥超，李祥

（ 深圳拓邦股份有限公司，廣東 深圳 518101 ）

0 引言

手持式電動工具在日常生活大規(guī)模應(yīng)用的同時，也帶來一定數(shù)量的人身傷害事件。根據(jù)美國職業(yè)安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國一年的勞工致命傷害中，有68 %的事件與電動工具（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，特別提出要進行防反沖保護，無論是工具整機或是個人防護用品的佩戴。

1 概述

電動工具的反沖現(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動。反沖現(xiàn)象不僅造成加工件及工具的損傷，更重要的是對操作者造成嚴重的人身傷害。

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，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，電動機的反作用力驅(qū)使工具朝向操作者快速回彈；或當(dāng)操作者對電圓鋸施加一個較大的力度，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。嚴重時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。又如操作者使用大功率錘鉆在建筑物墻壁鉆孔時，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)。此時整機雖不會向操作者方向反沖，但突然的反向旋轉(zhuǎn)可造成操作者手腕、手臂、下顎等承受部位嚴重損傷。

3 抑制措施及檢測方法

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兩個方面進行。

針對操作者，一是加強工具正確使用方法的事前培訓(xùn)，如美國勞工部針對各種電動工具的操作者，都有詳細的工具使用方法及注意事項培訓(xùn)，如針對不同工件如何選擇合適的工具及其配件、使用工具時雙手握穩(wěn)、定期對工具進行維護以及及時更換工具關(guān)鍵配件等；二是通過法規(guī)形式強制操作者在使用工具工作時必須佩戴個人防護用品（PPE），如頭盔、護目鏡等。

針對工具整機，則要求工具制造商在整機中設(shè)計實現(xiàn)防反沖功能，目前已在主流電動工具制造商中形成共識，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，但實現(xiàn)的防反沖效果基本一致。

常用的檢測方法為直接檢測法和間接檢測法。

3.1 直接檢測法

直接檢測法，指在工具整機中加入檢測工具角度或運動加速度的傳感器，根據(jù)傳感器輸出信號判斷是否發(fā)生反沖工況并及時做出反應(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別方式。美國專利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，實時檢測工具在任意方向上的反沖，及時做出相應(yīng)的保護動作，降低潛在的傷害風(fēng)險程度。采用3軸加速度傳感器，皆因反沖發(fā)生時，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，同樣可實時監(jiān)測工具在任意方向上的反沖，及時做出相應(yīng)的保護動作。而在美國專利US20190126456公示的防反沖方法中，在工具中同時加入速度傳感器和陀螺儀（或角度傳感器），并根據(jù)這兩個傳感器的輸出信號組合，使得工具防反沖功能更加全面且更有針對性。

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

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

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

識別為鉆頭向上工作時，此時的工具應(yīng)用場景多為操作者（借助扶梯）對房屋的天花板進行鉆孔操作。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）輸出信號的組合，可全面識別反沖發(fā)生時的應(yīng)用場景，進行有針對性的防反沖保護動作。根據(jù)不同的應(yīng)用場景自動設(shè)置反沖工況識別靈敏度及不同的應(yīng)對方式，如降低輸出功率、自由停機、按一定減速度停機或立即停機等。

直接檢測法的優(yōu)點是反沖工況檢測及時準(zhǔn)確，為工具提供快速且工況適應(yīng)性更廣泛的保護動作。缺點是成本高，整機開發(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，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期延長，整機潛在失效風(fēng)險相應(yīng)增加。

3.2 間接檢測法

間接檢測法，指通過工具整機利用現(xiàn)有傳感器信號，如電機位置傳感器、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，即在發(fā)生反沖的早期階段，電機轉(zhuǎn)速明顯且迅速降低。如在使用手持式電動工具對木材（木板或圓木）加工時發(fā)生反沖，工具附件（鋸片或鏈條等）即將被卡死時存在10ms∽200ms的緩沖期，對于電子控制器而言，緩沖期間可及時檢測并做出相應(yīng)的保護動作。

早期的間接檢測法方案較多采用速度傳感器信號，將速度在短時內(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?；谠缙诘碾妱庸ぞ卟捎么畡铍姍C，電機輸出轉(zhuǎn)矩在勵磁磁通較小時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]。負載增加時，串勵電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯下降，即其機械特性偏軟。

當(dāng)前，越來越多的電動工具采用無刷直流電機提供動力，兩相120°導(dǎo)通方波控制驅(qū)動。與串勵電機相比，采用方波控制的無刷直流電機機械特性偏硬。負載增加時，轉(zhuǎn)速雖有下降，但并不如串勵電機轉(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)生欠缺嚴謹。專利US8786220B2所示的技術(shù)方案，同時檢測轉(zhuǎn)矩（無刷直流電機的輸出轉(zhuǎn)矩與電流成正比，通過檢測電流折算電機轉(zhuǎn)矩）和轉(zhuǎn)速，達到準(zhǔn)確判定反沖是否真實發(fā)生的目的。

間接檢測法的優(yōu)點是方案實現(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)有傳感器信號即可，具有較強的工程應(yīng)用性。然而，間接檢測法的缺點也很明顯，即準(zhǔn)確率低。同時，因提供動力的電機特性不同，傳感器信號處理方式及靈敏度要求也不相同，信號處理的軟件同樣復(fù)雜。

4 保護措施

成功判定反沖工況真實發(fā)生后，需立即實施相應(yīng)保護。常見防反沖保護為：

1）切斷電機供電電源，電機自由（滑行）停機；

2）降低電機輸出功率，迅速減速，也稱軟剎車；

3）電機迅速停機，或轉(zhuǎn)速至少降低一個數(shù)量級，也稱硬剎車；

4）切斷工具動力傳輸。

針對軟剎車，常用方案為降低電機控制電壓的占空比，如專利US10220500B2所示技術(shù)，檢測到反沖工況時，電機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。

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

針對切斷工具動力傳輸，其實現(xiàn)方式可分為機械式和電子式。

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

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

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

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

5 結(jié)語

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