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    SawStop? 采用數字信號控制器設計臺鋸
    來源:https://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=35647 | 作者:德州儀器C2000應用產品部 Chris Clearman | 發布時間: 2022-07-26 | 924 次瀏覽 | 分享到:
    SawStop LLC公司為其臺鋸產品提供了一種具有革命性突破的安全特性。該公司研發了一種技術,不僅能夠感應標準圓鋸刀片和人體之間的接觸,而且還能夠在5毫秒內制 動并收回刀片。這種極速反應大大減輕了傷害,結果只是留下了“邦迪”就能處理的小刮傷,而不是需要去醫院急救室才能解決的深度創傷或手指切斷。

    SawStop基于DSP的傳感與制動技術使臺鋸刀片能在5毫秒內停止工作,將嚴重人身傷害化解為輕微刮傷。

    在美國,每年都有約65,000人因為使用臺鋸受傷而接受治療,造成的經濟損失達20億美元。上述數據來源于美國消費品安全委員會 (Consumer Product Safety Commission) 2003年的一份報告。這些數據顯示,臺鋸致傷造成的損失實際上比全年臺鋸總市場價值高出十倍。換言之,每一部臺鋸都是潛在的武器,隨時都會因傷害到一個 粗心或不幸的操作員而造成比其本身價值高許多倍的損失。要是臺鋸能夠具備相關特性,大幅提高安全性,那么即便略微增加了產品成本,那也還是完全值得的。因 為安全特性最終有助于大幅節約經濟成本,更別說能夠避免操作人員可能遭受的嚴重人身傷害了。

    目前,SawStop LLC公司為其臺鋸產品提供了一種具有革命性突破的安全特性。該公司研發了一種技術,不僅能夠感應標準圓鋸刀片和人體之間的接觸,而且還能夠在5毫秒內制 動并收回刀片。這種極速反應大大減輕了傷害,結果只是留下了“邦迪”就能處理的小刮傷,而不是需要去醫院急救室才能解決的深度創傷或手指切斷。圖1顯示了 SawStop 收縮鋸(contractor saw)。

    SawStop的總裁兼安全技術發明人Steve Gass博士指出:“作為木材工作者,我始終認為應當有一套更好的臺鋸安全系統,但作為發明者,我榮幸地找到了開發這一系統的方法?,F在,無論是學校、用 人單位還是保險公司都發現,盡管SawStop工具需要的投資略多一些,但它大幅降低了在課堂或工作崗位上嚴重受傷的風險,因而是完全值得的?!?/p>


    基于DSP的高性能控制技術

    SawStop安全系統的核心在于由德州儀器 (TI) TMS320C2000TM 數字信號控制器支 持的高級感測與控制技術。C2000控制器建立在TI高級數字信號處理器(DSP)技術基礎之上,專為實時嵌入式控制應用系統而精心設計。類似 SawStop的嵌入式控制系統不僅要求 DSP 具備高度的計算性能,而且還要實現外設集成以及微控制單元 (MCU) 通常所能實現的易用性。高速C2000控制器使SawStop工具不僅能瞬間感測到刀片接觸到手的情況,而且還能區別人體與軟木、濕木之間的區別,這樣安 全特性就不會影響正常的木材生產工作。

    Gass指出:“我們在設計安全模塊時有許多種控制產品可供選擇,但我們最終決定采用C2000控制器,因為其在編程靈活性以及低價格方 面均符合我們的要求。這種基于DSP的控制器為我們提供了類似于 MCU 的集成度,并顯著簡化了開發工作,而且其性能也是MCU所不能企及的?!?/p>


    直觀明了的創新型技術

    SawStop技術的工作原理在于區別人體與木材的不同電氣屬性。系統通電時在臺鋸刀片上生成3V的500千赫茲電信號,并通過控制器監視 該信號。刀片切割木材時信號保持不變,因為木材具有較低的本征電容與電導。不過,如果臺鋸在工作時刀片接觸到木工,那么人體內部相對較大的電容將改變電信 號。圖 2 顯示了臺鋸鋸齒接觸手指等有生命的肌體組織時信號電壓的變化。

    控制器的工作頻率為40兆赫茲(MHz),每秒能夠執行4,000萬次的累積乘法運算(MMACS)。該控制器負責監控刀片的電壓,每完 成一次控制回路僅需6微秒 (μs)。如果來自刀片的信號突然改變,那么控制器將識別出臺鋸與身體接觸所導致的變化,并發出高速的高強度制動信號,以停止鋸齒的轉動。在不到5ms 內,刀片就能完全停止轉動并收縮回去。從剛接觸皮膚到臺鋸鋸齒停止刀片轉動并從木工手部收回,總共僅需二百分之一秒的時間。

    一旦采用制動執行器,則必須應更換整個安全模塊,這是一項可由木工輕松完成的維護工作。系統每次加電后,數字信號控制器都要檢測安全模 塊,只要檢測到問題,就會防止電鋸啟動。因此,如果安全模塊不就位,電鋸就不能正常工作,就不能完成正常操作。圖3顯示了SawStop安全系統中制動夾 (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能夠設計出一款經濟實惠、便于更換的小型安全模塊。片上外設不僅可以節約板級空間而且還能減少組件 數,其具體包括10位模數轉換器 (ADC)、定時器、串行端口以及脈寬調制(PWM)輸出等。憑借32KB的片上閃存以及TI Code Composer StudioTM集成編程環境的支持,該器件幫助SawStop大幅加速了代碼開發與調試進程,從而使其產品能夠快速上市。此外,閃存還能在制動之前記錄許多信號行為,這使 SawStop 能夠收集到可靠的數據。圖4顯示了TI推出的TMS320C2000TM數字信號控制器。

    自適應性能夠滿足未來需求

    SawStop現已投產,可提供箱式電鋸與伸縮式電鋸兩種型號。借助相關技術,SawStop對其電鋸進行了全面的設計,而不是修改現有的 某種產品。此舉不僅使公司改進了產品性能,而且還為未來的技術發展預留了空間。例如,SawStop新型電鋸的額外安全特性在于采用了可穩定木材并防止木 材震動的歐式劈刀,這在美國還不多見。此外,電鋸還提供鋸屑收集功能,降低了木屑帶來的風險。C2000控制器的高性能還使我們能夠實現進一步的技術改 善,包括工具防盜以及非授權使用等安全特性、電鋸速度與定位的數字馬達控制、木材濕度監測,以及降低電鋸工作的噪聲等。

    SawStop認為應當盡可能推廣安全性更高的電動工具,并已宣布將根據許可證協議向所有電鋸制造商提供其已獲專利的安全技術。最終 SawStop的安全系統經過適應性調整,將運用于手持電鋸、帶鋸、搖臂鋸(radial arm saw)、鏈鋸、接合工具、成形工具以及其他木工工具中。此外,基于DSP的技術經過自適應調整,還可用于切割除木材之外的其他非導體材料,也可用于縫紉 機、切碎機、剪切具、壓榨機以及其他操作人員可能因機械部件運動而遭受人身傷害的電動設備。


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