CN111026021A - 一种适用于带传动的安全保护装置及控制方法 - Google Patents

一种适用于带传动的安全保护装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于带传动的安全保护装置，包括固定板，所述固定板上安装有电磁铁I、大带轮、扭矩传感器、电机和PLC，所述电机输出轴上的小带轮通过皮带与大带轮连接，电机的输出轴上还安装有扭矩传感器。本发明还公开了一种适用于带传动的安全保护装置的控制方法。本发明可以在发生断电、皮带断裂等意外情况时，通过控制电磁铁电流的通断，使电磁铁抱死从动带轮，实现从动部分机构的制动，解决了当突然断电或是皮带断裂时，若从动侧存在负载，如果没有相应的安全保护装置，还可能导致安全事故发生的问题。

Description

一种适用于带传动的安全保护装置及控制方法
技术领域
本发明涉及机械运动中的带传动领域，具体为一种适用于带传动的安全保护装置及控制方法。
背景技术
在机械传动系统中，带传动由带(包括平带、V带、同步带等)和安装在主动轴和从动轴上的主动带轮和从动带轮组成，该传动方式利用张紧在带轮上的皮带，借助它们间的摩擦或啮合，在两轴或多轴间传递运动和动力。带传动因其结构简单、传动平稳、造价低廉、不需润滑以及缓冲吸震等优点而在近代机械中被广泛应用，但在使用过程中，当突然断电或是皮带断裂时，若从动侧存在负载，如果没有相应的安全保护装置，还可能导致安全事故的发生。
发明内容
解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于带传动的安全保护装置及控制方法，可以在发生断电、皮带断裂等意外情况时，通过控制电磁铁电流的通断，使电磁铁抱死从动带轮，实现从动部分机构的制动，解决了当突然断电或是皮带断裂时，若从动侧存在负载，如果没有相应的安全保护装置，还可能导致安全事故发生的问题。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种适用于带传动的安全保护装置，包括固定板，所述固定板上安装有电磁铁I、大带轮、扭矩传感器、电机和PLC，所述电机输出轴上的小带轮通过皮带与大带轮连接，电机的输出轴上还安装有扭矩传感器，所述大带轮上安装有用于检测其角速度的编码器，所述电磁铁I位于固定板远离大带轮一侧，电磁铁I的中间轴贯穿固定板并延伸至固定板的另一侧与大带轮的表面相接触，所述电磁铁I、电机、扭矩传感器个编码器均与PLC电连接。
进一步限定，所述固定板远离大带轮的一侧面还安装有与PLC电连接的电磁铁II，该电磁铁II的中间轴贯穿固定板并延伸至固定板的另一侧与大带轮的表面相接触。
进一步限定，所述电磁铁I和电磁铁II关于大带轮的转轴所在水平面上下对称设置。
进一步限定，所述大带轮的两侧面均设置有不少于两个的沿顺时针方向厚度依次递增的环形坡道，相邻两个环形坡道的首尾之间留有间隙，所述电磁铁I和电磁铁II的中间轴端面与环形坡道的表面相接触。
进一步限定，所述环形坡道的侧壁与大带轮的表面之间设置有肋板。
一种适用于带传动的安全保护装置的控制方法，其具体工作流程如下：
系统上电时，预先向PLC设置好转速、扭矩传感器阀值等相关参数，PLC通过伺服控制器控制电机工作；
当发生突然断电的情况时，电磁铁I与电磁铁II中间轴因断电而伸长，卡住大带轮，实现制动；
当发生皮带断裂时，货物重量不能通过皮带传递到电机输出轴，电机相当于空载运行，此时电机输出轴的输出扭矩较上一时刻骤减，扭矩传感器检测到电机输出轴扭矩出现异常突变，控制电磁铁I断电，电磁铁I伸长，卡住大带轮，此时若电磁铁I的中间轴正好卡在大带轮的环形坡道较高点，则大带轮停止转动，编码器检测到大带轮角速度为0，同时PLC收到指令控制电机转速为0防止电机空转，制动完成；若电磁铁I失效或者电磁铁I的中间轴正好卡在大带轮的环形坡道较低点或者由于重物重量过大导致电磁铁I的中间轴与大带轮环形坡道之间的摩擦力不足以使大带轮制动时，此时编码器会检测到大带轮的角速度并不为0，则此时PLC控制电磁铁II断电，电磁铁II中间轴因断电而伸长，与电磁铁I一起卡住大带轮实现二次制动，同时PLC收到指令控制电机转速为0，防止电机空转，二次制动完成；
上述制动过程在重物下降阶段生效，当重物上升阶段发生断电或者皮带发生断裂时，扭矩传感器检测到电机输出轴扭矩突变，PLC控制电磁铁I和电磁铁II中间轴伸出，由于物体重力左右，此时重物拖动转轴通过小齿轮带动大齿轮逆时针转动，此时电磁铁I和电磁铁II的中间轴卡在环形坡道之间的间隙内也可实现制动；
当下降过程中速度过大时，由于物体重力加速度作用会导致扭矩传感器数值减小，如果此时不设置扭矩传感器的实时对比阀值，系统容易误判认为发生皮带断裂，从而产生意外制动，通过设置扭矩传感器的实时对比阀值可以很好的解决这一问题，将加速度的影响以及环境影响(晃动、抖动)等影响因素造成的扭矩传感器数值变化控制在阀值以内，能够消除系统制动误判提高控制系统的可靠性，同时将编码器的实时采集数据差值转化为方波信号通过反馈控制反馈给PLC，实现速度环的闭环控制，能够很好的提高系统运行的稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明主要由大带轮、电磁铁I、电磁铁II、编码器和扭矩传感器构成安全保护装置，主要通过改变大带轮的结构，以及利用电磁铁I和电磁铁II通断电时的伸缩特性实现制动，结构简单、成本很低、应用范围广、性能稳定、可靠性高、有助于规避由断电或是皮带断裂而引发的安全事故。
2、本发明对大带轮结构进行了改进，在不改变原有带轮的强度、刚度及性能的条件下，在从动带轮上设置有不少于两个各为半圈的环形坡道，电磁铁在工作时，其伸出轴可在环形坡道上滑动，大带轮最多转动半圈就可实现制动，使得大带轮在制动前转过的角度更小，从而保证安全性更高，由于只对从动带轮的结构进行了改进，使得该安全保护装置易于更换和推广，可以直接应用于已有的带轮传动机构中。
3、本发明提出的带传动安全保护装置的控制方法简单可靠，通过引入二次制动的方法大大提高了制动效果，也能够有效地规避由于单个电磁铁故障或者带轮结构上引起的制动失效或者制动不及时问题，通过编码器与扭矩传感器采集的实时数据，设置数据实时变化阀值能够有效地应对由于环境改变而造成的意外制动问题，大大提高了控制系统的可靠性，引入速度的闭环控制也大大提高了控制系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明后视图；
图3为本发明的应用实例图；
图4为本发明的大带轮结构示意图；
图5为本发明电磁铁I结构示意图；
图6为本发明的控制流程图。
图中：1、大带轮；2、电磁铁I；3、编码器；4、固定板；5、小带轮；6、皮带；7、电机；8、扭矩传感器；9、电磁铁II；10、PLC。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种适用于带传动的安全保护装置，包括固定板4，固定板4上安装有电磁铁I2、大带轮1、扭矩传感器8、电机7和PLC10，电机7输出轴上的小带轮5通过皮带6与大带轮1连接，大带轮1安装于固定板4的中心位置，电机7与小带轮5之间通过键连接，电机7的输出轴上还安装有扭矩传感器8，大带轮1上安装有用于检测其角速度的编码器3，电磁铁I2位于固定板4远离大带轮1一侧，电磁铁I2的中间轴贯穿固定板4并延伸至固定板4的另一侧与大带轮1的表面相接触，电磁铁I2、电机7、扭矩传感器8个编码器3均与PLC10电连接。
固定板4远离大带轮1的一侧面还安装有与PLC10电连接的电磁铁II9，该电磁铁II9的中间轴贯穿固定板4并延伸至固定板4的另一侧与大带轮1的表面相接触。
电磁铁I2和电磁铁II9关于大带轮1的转轴所在水平面上下对称设置，由于电磁铁I2与电磁铁II2为180°布置，因此，当二次制动时，电磁铁I和电磁铁II同时工作，大带轮1最多转过四分之一圈就可以实现制动。
参阅图3，将本发明应用于一种智能电动葫芦。编码器3与齿轮轴相连，其余部分位置不变，由于该智能电动葫芦需要提升重物，若一旦发生断电或是皮带断裂的情况，如果没有相应的安全保护装置，会使得重物脱落，造成事故，本实施例的一种适用于带传动的安全保护装置，可以在断电时，使得电磁铁I2与电磁铁II9伸长，卡住大带轮1，当出现皮带6断裂或是其他故障时，扭矩传感器8检测到电机7输出轴扭矩变化值超过阀值时，控制电磁铁I2断电，电磁铁I2伸长，卡住大带轮1，实现制动，同时编码器检测大带轮1的转速，若转速不为0则控制电磁铁II9断电，电磁铁II9伸长，与电磁铁I2一起卡主大带轮1。
参阅图4，大带轮1的两侧面均设置有不少于两个的沿顺时针方向厚度依次递增的环形坡道，相邻两个环形坡道的首尾之间留有间隙，电磁铁I2和电磁铁II9的中间轴端面与环形坡道的表面相接触，环形坡道的侧壁与大带轮1的表面之间设置有肋板，保证大带轮1拥有良好的强度和刚度，电磁铁I2与电磁铁II9中间轴伸长后与环形坡道相接触，当只有电磁铁I2工作时最多旋转半圈后，电磁铁I2中间轴与大带轮1上圆柱凸起处接触，实现制动，当二次制动时，电磁铁I2与电磁铁II9一同工作则大带轮1最多旋转四分之一圈后就实现制动。
参阅图5，电磁铁I2与电磁铁II9均为可伸缩式结构，断电伸长，通电回缩。
参阅,1-6，一种适用于带传动的安全保护装置的控制方法，其具体工作流程如下：
系统上电时，预先向PLC设置好转速、扭矩传感器阀值等相关参数，PLC10通过伺服控制器控制电机工作；
当发生突然断电的情况时，电磁铁I与电磁铁II中间轴因断电而伸长，卡住大带轮，实现制动；
当发生皮带断裂时，货物重量不能通过皮带传递到电机输出轴，电机相当于空载运行，此时电机输出轴的输出扭矩较上一时刻骤减，扭矩传感器检测到电机输出轴扭矩出现异常突变，控制电磁铁I断电，电磁铁I伸长，卡住大带轮，此时若电磁铁I的中间轴正好卡在大带轮的环形坡道较高点，则大带轮停止转动，编码器检测到大带轮角速度为0，同时PLC收到指令控制电机转速为0防止电机空转，制动完成；若电磁铁I失效或者电磁铁I的中间轴正好卡在大带轮的环形坡道较低点或者由于重物重量过大导致电磁铁I的中间轴与大带轮环形坡道之间的摩擦力不足以使大带轮制动时，此时编码器会检测到大带轮的角速度并不为0，则此时PLC控制电磁铁II断电，电磁铁II中间轴因断电而伸长，与电磁铁I一起卡住大带轮实现二次制动，同时PLC收到指令控制电机转速为0，防止电机空转，二次制动完成；
上述制动过程在重物下降阶段生效，当重物上升阶段发生断电或者皮带发生断裂时，扭矩传感器检测到电机输出轴扭矩突变，PLC控制电磁铁I和电磁铁II中间轴伸出，由于物体重力左右，此时重物拖动转轴通过小齿轮带动大齿轮逆时针转动，此时电磁铁I和电磁铁II的中间轴卡在环形坡道之间的间隙内也可实现制动；
当下降过程中速度过大时，由于物体重力加速度作用会导致扭矩传感器数值减小，如果此时不设置扭矩传感器的实时对比阀值，系统容易误判认为发生皮带断裂，从而产生意外制动，通过设置扭矩传感器的实时对比阀值可以很好的解决这一问题，将加速度的影响以及环境影响(晃动、抖动)等影响因素造成的扭矩传感器数值变化控制在阀值以内，能够消除系统制动误判提高控制系统的可靠性，同时将编码器的实时采集数据差值转化为方波信号通过反馈控制反馈给PLC，实现速度环的闭环控制，能够很好的提高系统运行的稳定性。
本发明主要由大带轮、电磁铁I、电磁铁II、编码器和扭矩传感器构成安全保护装置，主要通过改变大带轮的结构，以及利用电磁铁I和电磁铁II通断电时的伸缩特性实现制动，结构简单、成本很低、应用范围广、性能稳定、可靠性高、有助于规避由断电或是皮带断裂而引发的安全事故。
本发明对大带轮结构进行了改进，在不改变原有带轮的强度、刚度及性能的条件下，在从动带轮上设置有不少于两个各为半圈的环形坡道，电磁铁在工作时，其伸出轴可在环形坡道上滑动，大带轮最多转动半圈就可实现制动，使得大带轮在制动前转过的角度更小，从而保证安全性更高，由于只对从动带轮的结构进行了改进，使得该安全保护装置易于更换和推广，可以直接应用于已有的带轮传动机构中。
本发明提出的带传动安全保护装置的控制方法简单可靠，通过引入二次制动的方法大大提高了制动效果，也能够有效地规避由于单个电磁铁故障或者带轮结构上引起的制动失效或者制动不及时问题，通过编码器与扭矩传感器采集的实时数据，设置数据实时变化阀值能够有效地应对由于环境改变而造成的意外制动问题，大大提高了控制系统的可靠性，引入速度的闭环控制也大大提高了控制系统的稳定性。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种适用于带传动的安全保护装置，包括固定板(4)，其特征在于：所述固定板(4)上安装有电磁铁I(2)、大带轮(1)、扭矩传感器(8)、电机(7)和PLC(10)，所述电机(7)输出轴上的小带轮(5)通过皮带(6)与大带轮(1)连接，电机(7)的输出轴上还安装有扭矩传感器(8)，所述大带轮(1)上安装有用于检测其角速度的编码器(3)，所述电磁铁I(2)位于固定板(4)远离大带轮(1)一侧，电磁铁I(2)的中间轴贯穿固定板(4)并延伸至固定板(4)的另一侧与大带轮(1)的表面相接触，所述电磁铁I(2)、电机(7)、扭矩传感器(8)个编码器(3)均与PLC(10)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于带传动的安全保护装置，其特征在于：所述固定板(4)远离大带轮(1)的一侧面还安装有与PLC(10)电连接的电磁铁II(9)，该电磁铁II(9)的中间轴贯穿固定板(4)并延伸至固定板(4)的另一侧与大带轮(1)的表面相接触。
3.根据权利要求2所述的一种适用于带传动的安全保护装置，其特征在于：所述电磁铁I(2)和电磁铁II(9)关于大带轮(1)的转轴所在水平面上下对称设置。
4.根据权利要求3所述的一种适用于带传动的安全保护装置，其特征在于：所述大带轮(1)的两侧面均设置有不少于两个的沿顺时针方向厚度依次递增的环形坡道，相邻两个环形坡道的首尾之间留有间隙，所述电磁铁I(2)和电磁铁II(9)的中间轴端面与环形坡道的表面相接触。
5.根据权利要求4所述的一种适用于带传动的安全保护装置，其特征在于：所述环形坡道的侧壁与大带轮(1)的表面之间设置有肋板。
6.一种适用于带传动的安全保护装置的控制方法，其特征在于：
系统上电时，预先向PLC设置好转速、扭矩传感器阀值等相关参数，PLC通过伺服控制器控制电机工作；
当发生突然断电的情况时，电磁铁I与电磁铁II中间轴因断电而伸长，卡住大带轮，实现制动；
当发生皮带断裂时，货物重量不能通过皮带传递到电机输出轴，电机相当于空载运行，此时电机输出轴的输出扭矩较上一时刻骤减，扭矩传感器检测到电机输出轴扭矩出现异常突变，控制电磁铁I断电，电磁铁I伸长，卡住大带轮，此时若电磁铁I的中间轴正好卡在大带轮的环形坡道较高点，则大带轮停止转动，编码器检测到大带轮角速度为0，同时PLC收到指令控制电机转速为0防止电机空转，制动完成；若电磁铁I失效或者电磁铁I的中间轴正好卡在大带轮的环形坡道较低点或者由于重物重量过大导致电磁铁I的中间轴与大带轮环形坡道之间的摩擦力不足以使大带轮制动时，此时编码器会检测到大带轮的角速度并不为0，则此时PLC控制电磁铁II断电，电磁铁II中间轴因断电而伸长，与电磁铁I一起卡住大带轮实现二次制动，同时PLC收到指令控制电机转速为0，防止电机空转，二次制动完成；
上述制动过程在重物下降阶段生效，当重物上升阶段发生断电或者皮带发生断裂时，扭矩传感器检测到电机输出轴扭矩突变，PLC控制电磁铁I和电磁铁II中间轴伸出，由于物体重力左右，此时重物拖动转轴通过小齿轮带动大齿轮逆时针转动，此时电磁铁I和电磁铁II的中间轴卡在环形坡道之间的间隙内也可实现制动；
当下降过程中速度过大时，由于物体重力加速度作用会导致扭矩传感器数值减小，如果此时不设置扭矩传感器的实时对比阀值，系统容易误判认为发生皮带断裂，从而产生意外制动，通过设置扭矩传感器的实时对比阀值可以很好的解决这一问题，将加速度的影响以及环境影响(晃动、抖动)等影响因素造成的扭矩传感器数值变化控制在阀值以内，能够消除系统制动误判提高控制系统的可靠性，同时将编码器的实时采集数据差值转化为方波信号通过反馈控制反馈给PLC，实现速度环的闭环控制，能够很好的提高系统运行的稳定性。
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