從此告別電鋸斷指的事故－－－工程杰作

動靜之機

在網上瞎逛，看見這個東東，不敢獨享。
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首先聲明發這個帖子并不是崇洋媚外，更不是漲他人志氣滅自己威風，也不是為他們做廣告。
5 m1 I( |' X( n" _: n) B; i5 b謹希望大家能從中獲得啟發。（然而人家是有專利的，如需仿制請依法規避。）

4 a2 r% |7 s) T7 O6 `# B& E設計者將其看作是臺鋸裝置的“安全帶或者安全氣囊”。
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3 w& V; U) L# t& a暫不多言，先看錄像。 Hot_Dog_Demo.zip (943.69 KB, 下載次數: 1089)

2008-12-7 16:09 上傳

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這段視頻表現了一根火腿腸（代表手指）和木板一同經過飛速運轉的鋸片時發生的一幕。
. C4 P# A+ u2 H& B- `; x結果是火腿腸僅以失去1毫米左右深度“肉”的代價全身而退。
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- G+ c& H! g, D# @2 @0 @8 U原理（轉述并簡述）：
系統在鋸片上施以信號并監控這個信號的強度。由于人體具有相對較大的電容和導電性
6 n% t/ f. d+ L* q$ ?7 n+ k（估計此鋸片和驅動系統的電氣系統采用“浮地”設計），因此當手指或肉體接觸到鋸
片時，信號突變。與之相反，木材只具有較小的電容和導電性因此不會引起信號突變。

6 J) A! A5 ~8 G3 }! \下圖真實地顯示了手指接觸到鋸片時候的信號變化情況。

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當手指接觸到鋸片時，信號陡降。圖上還顯示出了后續幾牙的接觸情況。當系統偵測到
此種情況即判定有人誤觸到了鋸片（從第二第三脈沖信號來看已經少了塊肉，信號變短 ）。

' p4 J+ _; ~1 l1 {于是系統立即啟動了快速反應剎車裝置。 該裝置用一個強力彈簧將一個鋁塊（稱為制動掣）
, u% Y) \! Z, T/ {4 ?# G強行推向高速旋轉的鋸片從而令其瞬間卡死（停車）。平時彈簧是壓縮的，等到觸發信號
來到時，一股強大的電流流經保險絲令其熔斷從而將彈簧釋放。這一切都發生在3到5毫秒之間。
" i; |3 u$ j+ d0 C0 o+ H0 J巨大的角動量（慣性）使得整個鋸片系統向安全的方向迅速退回（的確匠心獨運的設計），電機同時斷電。
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4 O  E5 {4 t6 x/ [; Q" n再看一下剎車時機構動作的錄像： How_It_Works.zip (3.53 MB, 下載次數: 1102)

2008-12-7 16:09 上傳

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7 g4 Y) Z( d1 `剎車裝置如圖：
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這個剎車掣是一次性使用的（一來可以簡化設計，二來可以當消耗品賣么，呵呵），更換方便。

上次有一個帖子就是討論如何設計一種方案來判斷一把刀具何時碰到工件的，在這里：
http://bbs.cmiw.cn/viewthread.php?tid=87719&page=2#pid409844
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呵呵，當時俺也有將檢測回路“浮地”的建議。
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) C+ g, }7 v0 C# [4 J大家可自行上網搜索一下sawstop的相關報道。
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[ 本帖最后由 dongjingzhij 于 2008-12-7 16:24 編輯 ]

abcit

這個要仔細看看。

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SawStopTM 采用數字信號控制器設計臺鋸
3 m5 I/ o# ^# h2 {9 Y上網日期: 2006年09月27日   作者：德州儀器C2000應用產品部 Chris Clearman

9 }7 D6 `; A! j$ r: dSawStop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。
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2 L, F7 R* ]) |! l; ~; J  z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。
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4 M0 `; A# v6 b' R7 x+ y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)。
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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。現在，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。”

! F, |9 Q9 E/ l; r% D, M6 [, K基于DSP的高性能控制技術
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' e0 s) Z' M; f' o; [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。
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1 l1 ^; R# g" K8 o* UGass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。”

, U! a" u/ @7 u! O4 }& u& N% Q! x, V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。

# g) L0 {4 T& Y# C% B$ N5 H3 o. J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
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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。
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9 c4 o. o5 ]$ w) p( D自適應性能夠滿足未來需求

* @! S% D2 M$ m0 P: Z2 M, |' L5 o  |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。
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8 x6 c1 m& f- z2 T0 t9 S+ \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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新聞稿
SawStop 使用 SolidWorks 和 COSMOS 設計的不傷手臺鋸使木工工作更加安全
" j1 S6 K+ t5 q! |" Y3 h. a俄勒岡州公司生產的“智能”臺鋸可以區分木材和人手
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, N$ x) P. Y. U5 w1 I0 ]6 W2 B2 z2007 年 5 月 8 日 中國.北京訊 — 俄勒岡州的一家小公司正在改善木工工人的作業條件，該公司使用 SolidWorks® 軟件設計了一款只會切割木材而不會傷及手指的臺鋸。這款臺鋸由 SawStop 發明，在接觸到手指時能夠迅速抽回電鋸，使木工作業時更加安全，不僅可以免除傷痛，也可免去昂貴的治療費用。

根據美國消費品安全委員會（U.S. Consumer Product Safety Commission）統計的數據顯示，因使用臺鋸而導致的事故每年超過 60,000 件（即平均每 9 分鐘一件），而這些事故每年產生的傷殘成本約達 20 億美元。Steve Gass 終身從事木工工作，當他意識到人們需要一種更安全的臺鋸后，便發揮他物理學博士的聰明才智設計了一款新臺鋸。在這種臺鋸的刀片上有微小的電流通過，當電鋸接觸到手指（或可以導電的其他物體）時，電流就會降低，從而啟動制動器。當鋸齒沉入制動器時，動力會使電鋸下降到臺面以下。整個過程僅需 3 毫秒，連一眨眼的功夫都不到。

' j: r: g8 _/ L; N4 ^SawStop 工程副總裁 Dave Fulmer 說，產品發明比學會使用公司購買的第一個 CAD 軟件容易得多。“我們都是發明家或工程師，但是我們沒有一個人真正使用過 CAD”，他說, “SolidWorks很直觀，能很好地處理復雜的裝配體，我們在臺灣的所有制造商使用的都是 SolidWorks。我們學習使用 SolidWorks 僅花了兩周時間就可以設計出復雜的零件了（如制動裝置，包括將電鋸壓入制動器使臺鋸停止工作的彈簧）。”
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* K# {3 G( T; {% ?* C5 Z3 m8 LFulmer 和他的團隊使用 COSMOSXpress™ 和 COSMOSWorks® Designer 分析軟件來確保臺鋸能夠預期發揮效用并且經久耐用。SolidWorks 與這兩種產品整合后，讓 SawStop 將制作原型的成本與時間最小化，而且消除了因繁瑣構建而增加的制作成本。
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SolidWorks CEO John McEleney 最近在 SolidWorks World 2007 上為 3000 多位與會者用熱狗演示了這款臺鋸。“電鋸抽回的速度非常快，連聲音也很棒。”他說，“到目前為止，這項發明已經避免了近 150 起嚴重傷害事故，而且這個數字會隨著銷售量的增加而不斷增長。SawStop 再一次證明小公司也可以通過創新想法設計出意義非凡的好產品。”

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

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國內好像也有得賣了。 淘寶里有幾張顯示成功挽救手指的事故照片（如下），
雖然令人不忍細看，但是要知道傷者在拍照時心中必定是充滿感激之情的。
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       科技以人為本！
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真要看啊？。。。。
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4 T, M. J. o  x5 ~: e% v注：第一張照片中的鋸片看樣子是后來配放上去的，只用來說明問題。因為只有順時針切入（按照當前照片視角）
) J& h( K$ n# j! m( t! l* s才能使整個系統在剎車時的摩擦力矩力起到正反饋而更可靠地剎車。
* H3 g, E+ Q; S（自行車的轂式線閘也是這樣的正反饋設計－－－剎車帶的摩擦力進一步使其抱得更緊）。
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$ U) ^& q/ q0 l3 J9 E+ w有趣的是，為了防止鋸片在減速時崩裂，設計者把鋁塊鉆了不少孔，使鋸塊的局部剛性降低而“切”的時候不至
于“撞車”，相當于軟著陸。這樣做還可能使切屑有地方容留。但這幾個孔肯定不是為了散熱，因為此過程太短
（不超過5毫秒）而且鋁塊本身就是熱傳導的良導體，因而無需擔憂。

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

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正常鋸切時，由于切削力的反作用力，鋸片系統是可靠地貼合在工作臺下方的。
鋸片系統的角動量是（右手判定）垂直指向向紙面向外（讀者）的。如下圖：

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當系統迅速剎車時，系統的角動量不能立即消失（慣性），試圖保持這種運動，因此繞著
# t2 V, j" }9 z主鉸鏈逆時針回轉（于是脫離了工作區域，防止人手進一步受傷）。 的確巧妙。
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! }( C$ p% a* M/ V/ ]- k# K8 g這里有個CNN的報道和對話正文：
- x2 O, {) Z# bhttp://www.wwenglish.com/en/club/cnntv/7975.htm
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這里還有此項目發展的歷程，良好的設計要想市場化還真不容易啊。
' }* v" J  H0 A/ thttp://article.designnews.com.cn/2006-10/2006102090850.htm
3 t4 s* {" G  K5 ]% z$ t
[ 本帖最后由 dongjingzhij 于 2008-12-8 11:36 編輯 ]

jiajia_nj

剎車制動+回退,雙保險.
8 h1 g8 E$ w+ ?確實需要迅雷不及掩耳(盜鈴)之勢一氣呵成!!

記得某一紡機,一個部件出了故障,其它所有關聯部件仍舊照常運動,4萬元瞬間無影無蹤,
可以借鑒.

龍游大海

國外的安全確實做得比較好

梟龍

能解決這個問題,真是為加工人員造福了!

機械神話

需要高速響應的DSP技術。值得學習。