CN109088510B - 一种失电抱闸机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种失电抱闸机构及其控制方法，属于机械结构与电气控制领域，主要作用为机器人系统失电后辅助电机转子迅速停转并锁止。失电抱闸机构主要包含四个组件：永磁体、电磁线圈、绕线槽、衔铁。其工作逻辑与控制方法为：当机器人系统失电时，衔铁在永磁体的磁力吸引下紧紧贴合在电机转子侧摩擦面上使电机转子固定住；当机器人系统得电时，抱闸驱动电路为电磁线圈提供一个瞬时的大电流脉冲，使衔铁在电磁力的作用下远离电机转子侧摩擦面，从而使电机转子可以自由转动。当衔铁移动的距离进一步增大时，由于永磁体产生的吸引力随之快速减小，因此在衔铁远离电机转子侧而达到电机定子侧后，可将电磁线圈的电流降至一定范围也可以保证衔铁不会被永磁体吸引到电机转子侧。

Description

一种失电抱闸机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械结构与电气控制技术领域，更具体地说，涉及一种失电抱闸机构及其控制方法。

背景技术

工业机器人在供电系统断电时各个关节会在重力的作用下跌落，从而导致机械臂受到碰撞而损坏。为使机械臂在断电时不发生跌落，通常在关节内部增加失电抱闸机构以使电机转子在断电时被机械锁止。另外在电机的某些应用场景中，有时也需要实现电机转子突然停转。

工业应用领域中已经实现比较成熟的电机抱闸机构，但几乎所有的抱闸机构都用弹簧的弹力作为抱闸力使电机定子侧摩擦片和转子侧摩擦片压紧。但在长时间的使用后，弹簧不可避免的就会出现疲劳的现象，有可能使弹簧产生的抱闸力达不到电机转子停转所需的力。另外，弹簧弹力跟形变量为近似的线性关系，在电机运行时，需要电磁线圈一直产生较大的电磁力以使弹簧始终处于压缩的状态，这样就增加了电磁线圈的功耗。与此同时，电磁线圈消耗的能量多以热量的形式释放出来，会是整个机器人关节温度上升，同时增加了关节散热设计的难度和机器人的体积。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中不足，提供一种失电抱闸机构及其控制方法，本发明在实现工业机器人电机转子抱闸的同时有效降低了整机运行功耗并延长了使用寿命。

技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种失电抱闸机构及其控制方法。失电抱闸机构主要包含四个组件：永磁体、电磁线圈、绕线槽、衔铁。永磁体为圆环形结构，用来在整个系统断电时对衔铁产生吸引力，使衔铁的摩擦面与电机转子侧摩擦面紧密贴合。电磁线圈由绝缘漆包线绕成，用来在系统得电时对衔铁产生电磁力以使衔铁的摩擦面与电机转子侧摩擦面分离。绕线槽为电磁线圈的固定装置，由高磁导率金属材料加工而成。衔铁为高磁导率金属材料，其靠近永磁体的一面为摩擦面，当该摩擦面与电机转子侧摩擦面紧密贴合时可产生反向扭矩，使电机转子迅速停转。

失电抱闸机构四个零件的安装关系为：永磁体安装在电机转子侧，电磁线圈绕在绕线槽内并统一安装在电机定子侧，衔铁安装在电机定子侧并可以轴向滑动。

失电抱闸机构的工作逻辑是：电磁线圈失电时，衔铁在永磁体的吸力下与电机转子侧摩擦面紧密贴合，从而使转子快速的停转，但此时因为独特的结构设计，永磁体并未与衔铁接触从而可以有效保护永磁体因撞击而破碎；电磁线圈得电且其对衔铁产生的吸力大于永磁体对衔铁的吸力时，衔铁会在电磁线圈的吸力下远离电机转子侧摩擦面，从而使电机转子可以自由转动。

失电抱闸机构的控制方法为：当机器人系统失电时，衔铁在永磁体的磁力吸引下紧紧贴合在电机转子侧摩擦面上使电机转子固定；当机器人系统得电时，抱闸驱动电路为电磁线圈提供一个瞬时的大电流脉冲，使电磁线圈产生的对衔铁的瞬时电磁力大于永磁体对衔铁的吸引力，从而使衔铁在电磁力的作用下远离电机转子侧摩擦面。永磁体产生的电磁吸力近似跟衔铁的距离的平方成反比，即电磁吸力随距离增大衰减比较迅速，当距离进一步增大时，由于永磁体产生的吸引力随之快速减小而电磁线圈对衔铁产生的电磁力快速增大，因此在衔铁远离电机转子侧而达到电机定子侧后，可将电磁线圈的电流降至一定范围也可以保证衔铁不会被永磁体吸引到电机转子侧。当机器人系统失电或者意外断电时，电磁线圈内电流为零，衔铁又可以在永磁体的吸引下迅速的靠近电机转子侧的摩擦面，从而实现对电机转子的抱闸。

有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的结构设计可以使电磁线圈放置到具有空心轴形式的电机转子的轴心位置，可以减少机械臂关节整体轴向的长度，为小型化机械臂的设计和生产提供便利。

本发明的抱闸控制方法可使机器人系统或其他电机系统的运行功耗降低。抱闸机构独特的结构设计与控制方法可减少电磁线圈的发热量，为进一步减少机械臂体积和减小散热装置或机构提供可能性。

本发明独特的结构设计摒弃了传统的弹簧装置，另外永磁体与摩擦面并未直接接触，可保证本抱闸机构在长期工作时的性能一致性并进而延长了使用寿命。抱闸机构结构设计合理，原理简单，便于推广使用。

附图说明

图1为失电抱闸机构的轴向剖面图；

图2为失电抱闸机构控制系统图；

图3为针对转子为空心轴电机的抱闸安装方案示意图；

图4 为针对转子为空心轴电机的抱闸衔铁与绕线槽的安装关系图；

图5 为针对转子为实心轴电机的抱闸安装方案示意图；

图中的标号说明：1-永磁体；2-空心轴电机转子侧刹车片；3-衔铁；4-转子固定架；5-绕线槽；6-转子；7-电磁线圈；8-定子端盖；9-减速器馈轴；10-电机定子；11-实心轴电机转子侧刹车片；12-电机转子轴；20-圆柱形滑轨；21-空心轴电机定子侧刹车片与转子侧刹车片的间隙；22-空心轴电机衔铁与永磁体的间隙；23-空心轴电机衔铁与绕线槽的间隙；31-实心轴电机衔铁与转子侧刹车片的间隙；32-实心轴电机衔铁与永磁体的间隙；33-实心轴电机衔铁与绕线槽端面的间隙。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

如图1所示，抱闸机构永磁体1、衔铁3、电磁线圈7、绕线槽5均为环形结构，永磁体1安装于电机转子侧，电磁线圈7绕在绕线槽5内并安装在电机定子侧，电机转子侧设有刹车片，衔铁3介于永磁体1与电磁线圈7及绕线槽5之间并可以轴向滑动；抱闸机构的电磁线圈7由绝缘漆包线绕制，绕线槽5由高磁导率金属材料制成，衔铁3由高磁导率金属材料制成，衔铁靠近永磁体1的一面为摩擦面。抱闸机构工作时，由机器人电源为抱闸机构供电，并对抱闸机构线圈进行控制，如图2所示。

实施方式一：针对电机轴为空心轴的应用场景提出本实施方式。

如图3所示，转子固定架4用于固定电机转子6，并使转子6与电机定子保持同轴心。永磁体1安装在减速器馈轴9上。在转子固定架4的一端连接有转子侧刹车片2，该刹车片用于与安装在衔铁3上的定子侧刹车片摩擦而产生制动扭矩，从而使转子快速停转并锁止。电磁线圈7缠绕到绕线槽5内。绕线槽5的靠近衔铁一端凸出三个光滑的圆柱体，当衔铁3的对应的三个圆孔套进绕线槽5的圆柱体内时可保证衔铁3与电机定子不会产生旋转运动，同时又可以保证衔铁3的轴向运动。绕线槽5的远离衔铁一端通过安装在定子端盖8上而保证绕线槽5与电机定子也即机器人关节整体无相对运动。

在本实施方式中，永磁体1在系统断电时将衔铁3吸引到转子侧刹车片2的表面，使衔铁3上的定子侧刹车片与转子侧刹车片2紧密贴合从而产生制动转矩。系统得电时，电磁线圈7内通有电流以使绕线槽5的端面产生足够的电磁力使衔铁克服掉永磁体1的吸力而稳定在绕线槽5的端面上。

应当注意，本发明的独特设计使得各个组件之间的安装间隙为需重要控制的参数。为方便叙述特做如下定义：在图3中，衔铁上的定子侧刹车片与转子侧刹车片2的间隙为间隙21，衔铁3与永磁体1的间隙22，衔铁3与绕线槽5的间隙为间隙23。随着衔铁3在轴向的运动，始终保证间隙22大于间隙21，此限制可保证在定子侧刹车片与转子侧刹车片2紧密贴合的同时也不至于使永磁体1与衔铁3接触，进而可以避免永磁体1受到撞击而破损。间隙23的最大值与间隙21的最大值相同，即当衔铁3移动到转子侧时，间隙23有最大值；当衔铁3移动到定子侧时，间隙21有最大值。

衔铁与绕线槽的安装关系如图4所示，衔铁3安装在绕线槽5一端突出的圆柱形滑轨20上，该滑轨表面光滑且由磁导率低、硬度高、耐摩擦的材料加工而成。

实施方式二：针对电机轴为实心轴的应用场景提出本实施方式。

如图5所示，双面为粗糙面的转子侧摩擦片11固定安装在电机转子轴12上随转子转动。异形永磁体1在电机定子端盖8和抱闸机构外壳的固定下安装在定子10一侧。绕线槽5内绕有绝缘漆包线，并整体通过电机定子固定架安装在电机定子侧。绕线槽靠近转子摩擦片的一端凸出三个光滑的圆柱体，衔铁套在该三个圆柱体上用于保证衔铁与电机定子侧不会产生旋转运动，同时又可以保证衔铁3的轴向运动。衔铁靠近转子摩擦片的一面为粗糙面。为了尽量减小电磁磁路的磁阻，衔铁3和绕线槽5由磁导率高的金属材料加工而成。

在本实施方式中，永磁体1在系统断电时将衔铁吸引到转子侧刹车片11的表面，使衔铁3的摩擦面与转子侧刹车片紧密贴合从而产生制动转矩。系统得电时，电磁线圈7内通有电流以使绕线槽5的端面产生足够的电磁力使衔铁克服掉永磁体的吸力而稳定在绕线槽的端面上。

应当注意，本发明的独特设计使得各个组件之间的安装间隙为需重要控制的参数。为方便叙述特做如下定义：在图5中，衔铁与转子侧刹车片的间隙为间隙31，衔铁与永磁体的间隙32，衔铁与绕线槽端面的间隙为间隙33。随着衔铁在轴向的运动，应始终保证间隙32大于间隙31，此限制可保证在衔铁摩擦面与转子侧刹车片11紧密贴合的同时也不至于使永磁体1与衔铁3接触，进而可以避免永磁体受到撞击而破损。间隙33的最大值与间隙31的最大值相同，即当衔铁3移动到转子侧时，间隙33有最大值；当衔铁3移动到定子侧时，间隙31有最大值。

本实施方式中衔铁与绕线槽的安装关系与实施方式一相似。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种失电抱闸机构的控制方法，其特征在于：失电抱闸机构由永磁体、衔铁、绕线槽、电磁线圈组成，所述永磁体安装于电机转子侧，所述绕线槽安装于电机定子侧，所述电磁线圈绕在所述绕线槽内，所述衔铁位于所述永磁体与所述绕线槽之间并可轴向滑动；

所述永磁体面向所述衔铁一面设有转子侧刹车片，所述衔铁面向所述永磁体的一面设有定子侧刹车片或摩擦面，电机失电时，所述转子侧刹车片与所述定子侧刹车片或摩擦面紧密贴合；

所述绕线槽面向所述衔铁一端设有凸出体，所述衔铁面向所述绕线槽一端设有与所述凸出体相对应的孔，电机得电时，所述凸出体穿过孔；

该失电抱闸机构的控制包括以下步骤：

当机器人系统失电时，失电抱闸机构电磁线圈内电流为零，衔铁在永磁体的磁力吸引下迅速轴向滑动靠近电机转子，衔铁摩擦面贴合在电机转子侧摩擦面上使电机转子固定，实现对电机转子的抱闸；

当机器人系统得电时，抱闸驱动电路为电磁线圈提供一个瞬时的大电流脉冲，电磁线圈产生的对衔铁的瞬时电磁力大于永磁体对衔铁的吸引力，衔铁在电磁力的作用下远离电机转子侧摩擦面；

衔铁与永磁体距离进一步增大时，永磁体产生的吸引力随之快速减小而电磁线圈对衔铁产生的电磁力快速增大，在衔铁远离电机转子侧而达到电机定子侧后，可将电磁线圈的电流降至一定范围也可以保证衔铁不会被永磁体吸引到电机转子侧。

2.一种如权利要求1所述的失电抱闸机构的控制方法，其特征在于：所述衔铁与绕线槽材料均为高磁导率金属，所述电磁线圈由绝缘漆包线绕制而成。

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