CN219871147U - 机器人伺服电机制动单元磨损检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，该检测装置包括控制模块（2）、测量单元（3）和霍尔传感器（5），其中，霍尔传感器（5）用于采集伺服电机制动单元控制线圈通电后产生的电流变化信号、并将该电流变化信号转换为电压变化信号传递给测量单元（3）；测量单元（3）通过单电压检测回路方式将接收的电压变化信号转换成测量单元（3）能够计算的数值并进行计算处理，获得的计算参数发送给控制模块（2）；控制模块（2）将接收到的计算参数转换成波形显示以及数值、并存储，并获得机器人伺服电机制动单元磨损状况。本实用新型解决了机器人伺服电机的劣化诊断的问题，符合国家和企业对于产业政策和企业的价值生产。

Description

机器人伺服电机制动单元磨损检测装置

技术领域

本实用新型涉及工业机器人检测技术领域，具体地说是一种机器人伺服电机制动单元磨损检测装置。

背景技术

工业机器人基本由机器人本体、减速机、伺服电机、机内线缆及控制柜组成。机器人故障大致可以分为电气故障和机械故障。电气故障包括：①交流伺服电机的故障，包括绕组、永磁体退磁、电磁刹车、轴承和轴的故障等；②交流伺服系统故障，包括编码器故障、伺服放大器故障、IGBT集成模块的故障等；③控制电路板和示教器的故障；④机器人电缆的故障。机械故障，包括减速机的磨损、平衡缸的失效、电机和减速机连接键的故障等。

工业机器人上主要是采用交流同步伺服电机，机械组件包括法兰盘、电机转子、制动单元、电机本体和线圈、编码器以及外壳。对故障更换下来的伺服电机进行拆解，发生故障的电机，编码器故障的几率只占1成，电机本体及定子和转子都没有因电流过大烧蚀的痕迹，而99%都是因为制动单元的损坏。通过对多台伺服电机的制动单元拆解发现，制动单元损坏主要存在下面两种情况：

1、制动力不足：制动片的磨损导致的制动间歇过大，产生制动力不足，机器人臂下落。

2、制动打不开：制动片长期磨损产生的磨擦粉末导致制动行程变短，机器人运动过程中电流过大，过载报警。

综上，能够确认制动单元的故障是机器人伺服电机的主要故障，制动单元里面的制动片是直接故障的部件。交流永磁伺服电机的加工精度很高，刹车片的动片（衔铁片）和静片（摩擦片）之间的间隙很小，也就是电磁铁的行程很小，但吸引力很大、刹车力也很大。在长期运行后或发生紧急制动的瞬间，刹车片会逐渐变薄或直接碎裂，刹车力减少，刹车释放也就困难，这时就必须更换刹车片。对于工业机器人来说，得更换整个伺服电机。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，该机器人伺服电机制动单元磨损检测装置能够预先对机器人伺服电机进行劣化诊断。

本实用新型的目的是通过以下技术方案解决的：

一种机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：该检测装置包括控制模块、测量单元和霍尔传感器，其中，

霍尔传感器用于采集伺服电机制动单元控制线圈通电后产生的电流变化信号、并将该电流变化信号转换为电压变化信号传递给测量单元；

测量单元通过单电压检测回路方式将接收的电压变化信号转换成测量单元能够计算的数值并进行计算处理，获得的计算参数发送给控制模块；

控制模块将接收到的计算参数转换成波形显示以及数值、并存储，并获得机器人伺服电机制动单元磨损状况。

所述的霍尔传感器能够将伺服电机制动单元控制线圈通电后产生的0～4A直流电流变化信号转换为1～8V直流电压信号。

所述的霍尔传感器采用直流电源供电。

所述的直流电源由12～24个1.5V干电池串联构成，直流电源能够向霍尔传感器提供18～36V的直流电。

多个霍尔传感器通过端子排与测量单元相连接，所述的端子排采用基恩士OP-24423。

所述的霍尔传感器采用丰光社穿孔测量夹嵌式传感器HDCC-4A-S-HA。

所述的测量单元采用基恩士NR-HA08高速模拟量测量模块。

所述的控制模块采用电源单元供电，电源单元能够将外部供电单元输入的交流电转换为5V通讯用电源。

所述的电源单元采用基恩士NR-U60电源模块。

所述的控制模块采用基恩士NR600多通道输入数据采集仪器。

本实用新型相比现有技术有如下优点：

本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置直接解决了机器人伺服电机的劣化诊断的问题，解决了机器人长期使用后，伺服电机等部件劣化导致的机器人报废和维护高成本的问题；符合国家和企业对于产业政策和企业的价值生产，避免高价购置整机备件进行维护。

本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置能够尽早发现问题，尤其对重载机器人损坏的部件进行预防性更换，保证了产业工人的安全，由通用的整个电机更换变更为伺服电机内的制动单元更换，避免进口备件的高昂价格，有效降低了企业经营成本

本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置成功突破了国外机器人部件诊断和维修的黑匣子，是目前国内唯一能够检测机器人伺服电机内部部件劣化的操作诊断装置。

附图说明

附图1为本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置的结构示意图；

附图2为本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置检测全新的伺服电机获得的第一阶段波形；

附图3为本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置检测全新的伺服电机获得的第一阶段波形；

附图4为本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置检测全新的伺服电机获得的第一阶段波形；

附图5为本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置检测摩擦片磨损各阶段时获得的波形图；

附图6为本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置检测行程范围阻塞各阶段时获得的波形图。

其中：1—电源单元；2—控制模块；3—测量单元；4—端子排；5—霍尔传感器；6—直流电源。

实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示：一种机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，该检测装置包括控制模块2、测量单元3和霍尔传感器5，控制模块2采用基恩士NR600多通道输入数据采集仪器、测量单元3采用基恩士NR-HA08高速模拟量测量模块、霍尔传感器5采用丰光社穿孔测量夹嵌式传感器HDCC-4A-S-HA。霍尔传感器5用于采集伺服电机制动单元控制线圈通电后产生的0～4A直流电流变化信号、并将该直流电流变化信号转换为1～8V直流电压变化信号传递给测量单元3；测量单元3通过单电压检测回路方式将接收的电压变化信号转换成测量单元3能够计算的数值并进行计算处理，获得的计算参数发送给控制模块2；控制模块2将接收到的计算参数转换成波形显示以及数值、并存储，并获得机器人伺服电机制动单元磨损状况。

在实际使用中，如果采用电源单元1为霍尔传感器5供电，会产生干扰信号、导致波形不直观，霍尔传感器5采用直流电源6供电，这样测出的波形没有干扰。直流电源6由12～24个1.5V干电池串联构成，直流电源6能够向霍尔传感器5提供18～36V的直流电。

进一步的说，多个霍尔传感器5通过端子排4与测量单元3相连接，端子排4采用基恩士OP-24423。

进一步的说，控制模块2采用电源单元1供电，电源单元1能够将外部供电单元输入的交流电转换为5V通讯用电源，电源单元1采用基恩士NR-U60电源模块。

进一步的说，该机器人伺服电机制动单元磨损检测装置中各单元连接采用的中继线缆可以自制或购买，能够满足信号传递的通讯线缆都可以使用。

如图1所示的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，使用时，将该机器人伺服电机制动单元磨损检测装置中的霍尔传感器5一一对应接在伺服电机制动单元控制线圈上；霍尔传感器5能够将伺服电机制动单元控制线圈通电后产生的0～4A直流电流变化信号转换为1～8V直流电压信号；测量单元3通过单电压检测回路方式将接收的电压变化信号转换成测量单元3能够计算的数值并进行计算处理，获得的计算参数发送给控制模块2；控制模块2将接收到的计算参数转换成波形显示以及数值、并存储，并获得机器人伺服电机制动单元磨损状况。

本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置采用单端输出电压的方式，基于电磁感应、楞磁定律的原理来检测和记录交流伺服电机的直流制动单元动作的变化过程，通过霍尔传感器5将伺服电机制动单元控制线圈在通电后产生的0～4A直流电流变化信号（霍尔效应）转换成1～8V直流电压信号输入到基恩士NR-HA08高速模拟量测量模块，在基恩士NR600多通道输入数据采集仪器上生成可测量可保存的波形。

本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置采用的基恩士NR600多通道输入数据采集仪器内置基恩士WAVE LOGGER PRO软件，通过设置霍尔传感器5检测的参数、采样周期和时间、以及触发方式来实施检测工作。

为便于理解本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，下面对交流伺服电机制动单元的动作过程和原理进行说明：1）、当制动单元的励磁线圈得电后，励磁ON：励磁产生后，励磁电流使线圈产生电磁力，吸引衔铁片克服弹簧力离开摩擦片，使摩擦片处于自由状态，从而实现制动释放；2）、当制动单元的励磁线圈得失电后，励磁OFF：励磁没有的情况下，弹簧的力量使衔铁片压紧摩擦片和安装盘，从而实现制动作用。整个制动单元的动作过程主要利用电磁感应原理来实现，根据电磁感应原理，线圈的匝数和线径跟电磁吸力有直接的影响。如果线圈匝数少了，则导线电阻小了，电流就大了，线圈容易发热；如果线径小了，电阻就变大，电磁吸力就下降。

针对制动失效的两种状态，我们通过物理的分析来进行：

第一种是摩擦片的磨损：正常的制动单元，励磁电流产生的电磁吸力>弹簧张力，正常将刹车打开；故障的制动单元，由于制动间隙行程的加大，励磁电流产生的电磁吸力<弹簧张力，克服不了弹簧的张力，伺服电机动作时因刹车的制动作用，产生更大的电流而报警。

当然，刹车电磁铁线圈的老化或短路也会产生电磁吸力的减少，同时电源系统24V供电系统的弱化也是产生因素之一。

第二种是阻塞的摩擦粉末导致制动行程变短：线圈铁心断面上的磨擦粉末堆积，通过积压变成硬块状物，导致制动行程变短，阻碍制动离开足够的距离，造成制动释放不良。

下面通过对交流伺服电机制动单元的电流波形进行解析，以阐述本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置是如何获得机器人伺服电机制动单元磨损状况的。

上述分析了两种制动不良状况的发生现象，我们需要用手段和方法将其解析出来，制动单元是一个整体，我们不能通过打开制动单元去目视检查，这种方法效率及其低下，而且不可靠。如何将制动动作的整个过程用图形显示出来，经过研究和分析发现：可以通过电流的变化来分析整个制动的过程。

如图2-图4所示的全新的伺服电机获得的各阶段波形图，波形说明：横轴-时间轴；纵轴-检测仪器测量出来的波形是电压变化，因检测的电压是制动单元控制线圈的电流反应，为了与实际结合，以“励磁电流”作为纵轴名称。

在①～②阶段：如图2所示，当伺服电机制动单元控制线圈通电产生工作磁场开始，励磁电流上升，与励磁电流的大小成正比的磁通量产生吸引力，吸引衔铁片开始动作；

在②时，吸引力大于弹簧力，衔铁片开始动作离开摩擦片；

在②～③阶段：如图3所示，衔铁片的动作使磁通变化，根据楞次定律，衔铁片在磁场中切割磁力线产生了与原方向相反的反电动势阻碍原磁通量，使磁通量变小，相应的励磁电流就变小了；

在③时，衔铁片到达铁芯处(释放端)位置处，反电动势不再发生，电流下降结束

如图4所示，在③～这种状态下，由于衔铁片不再动作，反电动势没有了，所以励磁电流再次上升，直到控制线圈外加电压/线圈电阻的电流比值稳定下来，成为平稳状态，就是典型的电流状态。

从①到③之后的平稳状态画一条没有峰谷变化的曲线，该条曲线即表示制动单元磨损到极限状态的表现。

本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置检测判断时：

1）、如图5所示，1表示新品状态的制动单元、2-4表示摩擦片磨损越来越严重的制动单元，励磁电流峰值越接近典型电流值，表示磨损越厉害，制动行程越长，磨损到极限表现为一条没有峰谷变化的曲线；

2）、如图6所示，1表示新品状态的制动单元、2-4表示行程范围阻塞到无法释放的变化的制动单元，励磁电流峰谷值越接近典型电流值，表示磨损粉末的阻塞越厉害，制动行程越短，阻塞到极限表现为一条没有峰谷变化的曲线。

通过对上述制动过程的分解说明，利用电磁感应原理和楞次定律，采用本实用新型提供的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置能够测量伺服电机制动单元的电流波形，通过波形分析能够判断出伺服电机的制动劣化状态。

下面针对不同的波形设定判断标准：1）、通过测量尺对比目视判断，如果从①到③的时间＜100ms，则判断为良品，可以正常继续使用；2）、通过测量尺对比目视判断，如果从①到③的时间＞100ms，并且第一次的励磁电流峰值和最终峰值之间有明显差值，则判断为可疑，应该尽可能快地安排更换；3）、通过测量尺对比目视判断，如果从①到③的时间＞100ms，并且第一次的励磁电流峰值和最终峰值接近，则判断为不良，应该马上安排更换。根据上述判断标准建立更换计划，安排备件和更换时间。

在本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置检测时，还会遇到两种特殊的波形：

一、是先后两次励磁电流下降并再次升高的状况

由于使用过程中摩擦片的磨损分布不均匀，导致衔铁片移动过程中干涉不同，同样原因下衔铁片圆周上各处距离铁芯的间隙也不同，这就造成衔铁片移动过程中，整个衔铁片不是同时到达释放端，从而出现不同部位先后到达释放端的情况。

二、励磁电流没有下降的状况

这种波形显示从励磁电流开始一直上升到典型电流值，并没有发生励磁电流的下降，同时可以看到上升的典型电流值也比正常情况下要更大；这表明始终没有反电动势导致的相反方向的磁通量的产生，所以励磁电流没有下降。这种情况一般是制动片产生的摩擦粉末或破碎的摩擦片阻塞在制动的释放行程中，导致尽管电磁力产生了，但是衔铁片却无法从制动端向释放端移动；从现象上看，一般表现为制动不能有效松开，从而电机的启动因为干涉而产生相关的报警。

本实用新型的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置直接解决了机器人伺服电机的劣化诊断的问题，解决了机器人长期使用后，伺服电机等部件劣化导致的机器人报废和维护高成本的问题；符合国家和企业对于产业政策和企业的价值生产，避免高价购置整机备件进行维护。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内；本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：该检测装置包括控制模块（2）、测量单元（3）和霍尔传感器（5），其中，

霍尔传感器（5）用于采集伺服电机制动单元控制线圈通电后产生的电流变化信号、并将该电流变化信号转换为电压变化信号传递给测量单元（3）；

测量单元（3）通过单电压检测回路方式将接收的电压变化信号转换成测量单元（3）能够计算的数值并进行计算处理，获得的计算参数发送给控制模块（2）；

控制模块（2）将接收到的计算参数转换成波形显示以及数值、并存储，并获得机器人伺服电机制动单元磨损状况。

2.根据权利要求1所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：所述的霍尔传感器（5）能够将伺服电机制动单元控制线圈通电后产生的0～4A直流电流变化信号转换为1～8V直流电压信号。

3.根据权利要求1所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：所述的霍尔传感器（5）采用直流电源（6）供电。

4.根据权利要求3所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：所述的直流电源（6）由12～24个1.5V干电池串联构成，直流电源（6）能够向霍尔传感器（5）提供18～36V的直流电。

5.根据权利要求1所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：多个霍尔传感器（5）通过端子排（4）与测量单元（3）相连接，所述的端子排（4）采用基恩士OP-24423。

6.根据权利要求1-5任一所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：所述的霍尔传感器（5）采用丰光社穿孔测量夹嵌式传感器HDCC-4A-S-HA。

7.根据权利要求1所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：所述的测量单元（3）采用基恩士NR-HA08高速模拟量测量模块。

8.根据权利要求1所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：所述的控制模块（2）采用电源单元（1）供电，电源单元（1）能够将外部供电单元输入的交流电转换为5V通讯用电源。

9.根据权利要求8所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：所述的电源单元（1）采用基恩士NR-U60电源模块。

10.根据权利要求1、8、9任一所述的机器人伺服电机制动单元磨损检测装置，其特征在于：所述的控制模块（2）采用基恩士NR600多通道输入数据采集仪器。