从此告别电锯断指的事故－－－工程杰作

动静之机 · 发表于 2008-12-7 16:09:51

在网上瞎逛，看见这个东东，不敢独享。

首先声明发这个帖子并不是崇洋媚外，更不是涨他人志气灭自己威风，也不是为他们做广告。
谨希望大家能从中获得启发。（然而人家是有专利的，如需仿制请依法规避。）

设计者将其看作是台锯装置的“安全带或者安全气囊”。

暂不多言，先看录像。

Hot_Dog_Demo.zip (943.69 KB, 下载次数: 1089)

这段视频表现了一根火腿肠（代表手指）和木板一同经过飞速运转的锯片时发生的一幕。
结果是火腿肠仅以失去1毫米左右深度“肉”的代价全身而退。

原理（转述并简述）：
系统在锯片上施以信号并监控这个信号的强度。由于人体具有相对较大的电容和导电性
（估计此锯片和驱动系统的电气系统采用“浮地”设计），因此当手指或肉体接触到锯
片时，信号突变。与之相反，木材只具有较小的电容和导电性因此不会引起信号突变。

下图真实地显示了手指接触到锯片时候的信号变化情况。

当手指接触到锯片时，信号陡降。图上还显示出了后续几牙的接触情况。当系统侦测到
此种情况即判定有人误触到了锯片（从第二第三脉冲信号来看已经少了块肉，信号变短

）。

于是系统立即启动了快速反应刹车装置。该装置用一个强力弹簧将一个铝块（称为制动掣）
强行推向高速旋转的锯片从而令其瞬间卡死（停车）。平时弹簧是压缩的，等到触发信号
来到时，一股强大的电流流经保险丝令其熔断从而将弹簧释放。这一切都发生在3到5毫秒之间。
巨大的角动量（惯性）使得整个锯片系统向安全的方向迅速退回（的确匠心独运的设计），电机同时断电。

再看一下刹车时机构动作的录像：

How_It_Works.zip (3.53 MB, 下载次数: 1102)

刹车装置如图：

这个刹车掣是一次性使用的（一来可以简化设计，二来可以当消耗品卖么，呵呵），更换方便。

上次有一个帖子就是讨论如何设计一种方案来判断一把刀具何时碰到工件的，在这里：
http://bbs.cmiw.cn/viewthread.php?tid=87719&page=2#pid409844

呵呵，当时俺也有将检测回路“浮地”的建议。

大家可自行上网搜索一下sawstop的相关报道。

[ 本帖最后由 dongjingzhij 于 2008-12-7 16:24 编辑 ]

abcit · 发表于 2008-12-7 23:56:29

这个要仔细看看。

动静之机 · 发表于 2008-12-8 09:38:18

SawStopTM 采用数字信号控制器设计台锯
上网日期: 2006年09月27日作者：德州仪器C2000应用产品部 Chris Clearman

SawStop基于DSP的传感与制动技术使台锯刀片能在5毫秒内停止工作，将严重人身伤害化解为轻微刮伤。

在美国，每年都有约65,000人因为使用台锯受伤而接受治疗，造成的经济损失达20亿美元。上述数据来源于美国消费品安全委员会(Consumer Product Safety Commission) 2003年的一份报告。这些数据显示，台锯致伤造成的损失实际上比全年台锯总市场价值高出十倍。换言之，每一部台锯都是潜在的武器，随时都会因伤害到一个粗心或不幸的操作员而造成比其本身价值高许多倍的损失。要是台锯能够具备相关特性，大幅提高安全性，那么即便略微增加了产品成本，那也还是完全值得的。因为安全特性最终有助于大幅节约经济成本，更别说能够避免操作人员可能遭受的严重人身伤害了。

目前，SawStop LLC公司为其台锯产品提供了一种具有革命性突破的安全特性。该公司研发了一种技术，不仅能够感应标准圆锯刀片和人体之间的接触，而且还能够在5毫秒内制动并收回刀片。这种极速反应大大减轻了伤害，结果只是留下了“邦迪”就能处理的小刮伤，而不是需要去医院急救室才能解决的深度创伤或手指切断。图1显示了SawStop 收缩锯(contractor saw)。

SawStop的总裁兼安全技术发明人Steve Gass博士指出：“作为木材工作者，我始终认为应当有一套更好的台锯安全系统，但作为发明者，我荣幸地找到了开发这一系统的方法。现在，无论是学校、用人单位还是保险公司都发现，尽管SawStop工具需要的投资略多一些，但它大幅降低了在课堂或工作岗位上严重受伤的风险，因而是完全值得的。”

基于DSP的高性能控制技术

SawStop安全系统的核心在于由德州仪器 (TI) TMS320C2000TM 数字信号控制器支持的高级感测与控制技术。C2000控制器建立在TI高级数字信号处理器(DSP)技术基础之上，专为实时嵌入式控制应用系统而精心设计。类似SawStop的嵌入式控制系统不仅要求 DSP 具备高度的计算性能，而且还要实现外设集成以及微控制单元 (MCU) 通常所能实现的易用性。高速C2000控制器使SawStop工具不仅能瞬间感测到刀片接触到手的情况，而且还能区别人体与软木、湿木之间的区别，这样安全特性就不会影响正常的木材生产工作。

Gass指出：“我们在设计安全模块时有许多种控制产品可供选择，但我们最终决定采用C2000控制器，因为其在编程灵活性以及低价格方面均符合我们的要求。这种基于DSP的控制器为我们提供了类似于 MCU 的集成度，并显著简化了开发工作，而且其性能也是MCU所不能企及的。”

直观明了的创新型技术

SawStop技术的工作原理在于区别人体与木材的不同电气属性。系统通电时在台锯刀片上生成3V的500千赫兹电信号，并通过控制器监视该信号。刀片切割木材时信号保持不变，因为木材具有较低的本征电容与电导。不过，如果台锯在工作时刀片接触到木工，那么人体内部相对较大的电容将改变电信号。图 2 显示了台锯锯齿接触手指等有生命的肌体组织时信号电压的变化。

控制器的工作频率为40兆赫兹(MHz)，每秒能够执行4,000万次的累积乘法运算(MMACS)。该控制器负责监控刀片的电压，每完成一次控制回路仅需6微秒 (μs)。如果来自刀片的信号突然改变，那么控制器将识别出台锯与身体接触所导致的变化，并发出高速的高强度制动信号，以停止锯齿的转动。在不到5ms内，刀片就能完全停止转动并收缩回去。从刚接触皮肤到台锯锯齿停止刀片转动并从木工手部收回，总共仅需二百分之一秒的时间。

一旦采用制动执行器，则必须应更换整个安全模块，这是一项可由木工轻松完成的维护工作。系统每次加电后，数字信号控制器都要检测安全模块，只要检测到问题，就会防止电锯启动。因此，如果安全模块不就位，电锯就不能正常工作，就不能完成正常操作。图3显示了SawStop安全系统中制动夹(brake cartridge)的位置。

方便易用的高集成度控制器

高度集成的TI控制器使SawStop能够设计出一款经济实惠、便于更换的小型安全模块。片上外设不仅可以节约板级空间而且还能减少组件数，其具体包括10位模数转换器 (ADC)、定时器、串行端口以及脉宽调制(PWM)输出等。凭借32KB的片上闪存以及TI Code Composer StudioTM集成编程环境的支持，该器件帮助SawStop大幅加速了代码开发与调试进程，从而使其产品能够快速上市。此外，闪存还能在制动之前记录许多信号行为，这使 SawStop 能够收集到可靠的数据。图4显示了TI推出的TMS320C2000TM数字信号控制器。

自适应性能够满足未来需求

SawStop现已投产，可提供箱式电锯与伸缩式电锯两种型号。借助相关技术，SawStop对其电锯进行了全面的设计，而不是修改现有的某种产品。此举不仅使公司改进了产品性能，而且还为未来的技术发展预留了空间。例如，SawStop新型电锯的额外安全特性在于采用了可稳定木材并防止木材震动的欧式劈刀，这在美国还不多见。此外，电锯还提供锯屑收集功能，降低了木屑带来的风险。C2000控制器的高性能还使我们能够实现进一步的技术改善，包括工具防盗以及非授权使用等安全特性、电锯速度与定位的数字马达控制、木材湿度监测，以及降低电锯工作的噪声等。

SawStop认为应当尽可能推广安全性更高的电动工具，并已宣布将根据许可证协议向所有电锯制造商提供其已获专利的安全技术。最终SawStop的安全系统经过适应性调整，将运用于手持电锯、带锯、摇臂锯(radial arm saw)、链锯、接合工具、成形工具以及其他木工工具中。此外，基于DSP的技术经过自适应调整，还可用于切割除木材之外的其他非导体材料，也可用于缝纫机、切碎机、剪切具、压榨机以及其他操作人员可能因机械部件运动而遭受人身伤害的电动设备。

动静之机 · 发表于 2008-12-8 09:39:46

新闻稿
SawStop 使用 SolidWorks 和 COSMOS 设计的不伤手台锯使木工工作更加安全
俄勒冈州公司生产的“智能”台锯可以区分木材和人手

2007 年 5 月 8 日中国.北京讯 — 俄勒冈州的一家小公司正在改善木工工人的作业条件，该公司使用 SolidWorks® 软件设计了一款只会切割木材而不会伤及手指的台锯。这款台锯由 SawStop 发明，在接触到手指时能够迅速抽回电锯，使木工作业时更加安全，不仅可以免除伤痛，也可免去昂贵的治疗费用。

根据美国消费品安全委员会（U.S. Consumer Product Safety Commission）统计的数据显示，因使用台锯而导致的事故每年超过 60,000 件（即平均每 9 分钟一件），而这些事故每年产生的伤残成本约达 20 亿美元。Steve Gass 终身从事木工工作，当他意识到人们需要一种更安全的台锯后，便发挥他物理学博士的聪明才智设计了一款新台锯。在这种台锯的刀片上有微小的电流通过，当电锯接触到手指（或可以导电的其他物体）时，电流就会降低，从而启动制动器。当锯齿沉入制动器时，动力会使电锯下降到台面以下。整个过程仅需 3 毫秒，连一眨眼的功夫都不到。

SawStop 工程副总裁 Dave Fulmer 说，产品发明比学会使用公司购买的第一个 CAD 软件容易得多。“我们都是发明家或工程师，但是我们没有一个人真正使用过 CAD”，他说, “SolidWorks很直观，能很好地处理复杂的装配体，我们在台湾的所有制造商使用的都是 SolidWorks。我们学习使用 SolidWorks 仅花了两周时间就可以设计出复杂的零件了（如制动装置，包括将电锯压入制动器使台锯停止工作的弹簧）。”

Fulmer 和他的团队使用 COSMOSXpress™ 和 COSMOSWorks® Designer 分析软件来确保台锯能够预期发挥效用并且经久耐用。SolidWorks 与这两种产品整合后，让 SawStop 将制作原型的成本与时间最小化，而且消除了因繁琐构建而增加的制作成本。

SolidWorks CEO John McEleney 最近在 SolidWorks World 2007 上为 3000 多位与会者用热狗演示了这款台锯。“电锯抽回的速度非常快，连声音也很棒。”他说，“到目前为止，这项发明已经避免了近 150 起严重伤害事故，而且这个数字会随着销售量的增加而不断增长。SawStop 再一次证明小公司也可以通过创新想法设计出意义非凡的好产品。”

[ 本帖最后由 dongjingzhij 于 2008-12-8 09:45 编辑 ]

动静之机 · 发表于 2008-12-8 09:44:03

国内好像也有得卖了。淘宝里有几张显示成功挽救手指的事故照片（如下），
虽然令人不忍细看，但是要知道伤者在拍照时心中必定是充满感激之情的。

科技以人为本！

真要看啊？。。。。

注：第一张照片中的锯片看样子是后来配放上去的，只用来说明问题。因为只有顺时针切入（按照当前照片视角）
才能使整个系统在刹车时的摩擦力矩力起到正反馈而更可靠地刹车。
（自行车的毂式线闸也是这样的正反馈设计－－－刹车带的摩擦力进一步使其抱得更紧）。

有趣的是，为了防止锯片在减速时崩裂，设计者把铝块钻了不少孔，使锯块的局部刚性降低而“切”的时候不至
于“撞车”，相当于软着陆。这样做还可能使切屑有地方容留。但这几个孔肯定不是为了散热，因为此过程太短
（不超过5毫秒）而且铝块本身就是热传导的良导体，因而无需担忧。

[ 本帖最后由 dongjingzhij 于 2008-12-8 10:17 编辑 ]

动静之机 · 发表于 2008-12-8 10:58:23

正常锯切时，由于切削力的反作用力，锯片系统是可靠地贴合在工作台下方的。
锯片系统的角动量是（右手判定）垂直指向向纸面向外（读者）的。如下图：

当系统迅速刹车时，系统的角动量不能立即消失（惯性），试图保持这种运动，因此绕着
主铰链逆时针回转（于是脱离了工作区域，防止人手进一步受伤）。的确巧妙。

这里有个CNN的报道和对话正文：
http://www.wwenglish.com/en/club/cnntv/7975.htm

这里还有此项目发展的历程，良好的设计要想市场化还真不容易啊。
http://article.designnews.com.cn/2006-10/2006102090850.htm

[ 本帖最后由 dongjingzhij 于 2008-12-8 11:36 编辑 ]

jiajia_nj · 发表于 2008-12-8 13:51:58

刹车制动+回退,双保险.
确实需要迅雷不及掩耳(盗铃)之势一气呵成!!

记得某一纺机,一个部件出了故障,其它所有关联部件仍旧照常运动,4万元瞬间无影无踪,
可以借鉴.

龙游大海 · 发表于 2008-12-8 18:51:34

国外的安全确实做得比较好

枭龙 · 发表于 2008-12-9 08:37:14

能解决这个问题,真是为加工人员造福了!

机械神话 · 发表于 2008-12-9 19:24:40

需要高速响应的DSP技术。值得学习。

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还是转贴一下，省得大家去找。

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