制动器组件

技术领域

本发明涉及制动器技术领域，尤其涉及一种用于机械臂关节的制动器组件。

背景技术

随着工业自动化技术的快速发展，机器人作为一种重要的工业自动化设备越来越得到重视，并且应用越来越广泛。机器人技术主要集中了机械工程、自动控制以及人工智能等多种技术的最新研究成果，体现了光电一体化的最新成就，是当代科学技术发展最为活跃的领域之一。机械臂是目前在机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在生产生活中具有极其重要的作用，在实际应用中，很多的工业流程环节都需要机械臂进行组装和提取作业。机械臂能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业，能够极大地提高劳动效率。

机械臂关节是机械臂的核心部件，关节的整体结构、负载能力及感知能力直接影响着机械臂整体的作业水平。目前常见的机械臂关节普遍采用电机、减速器、编码器、制动器以及驱动器进行串联的传动机构。目前，国内市场上机械臂关节普遍存在重量大、负载能力低、体积大、集成度低等问题，限制了机械臂性能的进一步提升。

其中，机械臂关节利用制动器在停机时进行抱死制动，来避免机械臂在失电时由于受重力作用而继续运动。传统制动器的工作原理为：当电机启动(接通电源)时，电磁铁得电，摩擦盘被电磁铁吸合，克服弹簧的弹力使制动器的摩擦盘与制动盘分开，于是电机正常运转；当电机停机(断开电源)时，电磁铁电机失电，摩擦盘在弹簧弹力作用下与电磁铁分开，并使制动器的摩擦盘紧紧吸合制动盘，电机转子被制动而停转；失电时，电机的停转通过弹簧弹力来保持，由于弹簧弹力的力矩偏小，仅采用弹簧弹力来克服机械臂重力与负载具有稳定性较差的缺点，且由于弹簧弹力使用寿命较短，使得制动不可靠。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种力矩较大、使用寿命长、制动可靠的制动器组件。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：制动器组件，与电机组件的电机输出轴对应配合，包括固定安装的制动壳体，所述制动壳体内固定安装有电磁铁模块，所述电机输出轴上安装有可轴向移动用于与所述电磁铁模块配合的摩擦盘模块，所述制动壳体上还安装有与所述电磁铁模块对应用于控制所述摩擦盘模块轴向移动位置的制动永磁铁。

作为优选的技术方案，所述电磁铁模块通电时，所述电磁铁模块所产生的磁力与所述制动永磁铁的磁力抵消，所述摩擦盘模块与所述电磁铁模块之间分离；所述电磁铁模块断电时，所述摩擦盘模块在所述制动永磁铁的磁力作用下与所述电磁铁模块接触。

作为优选的技术方案，所述电磁铁模块所产生的磁力与所述制动永磁铁的磁力大小相等且N极、S极的方向相反。

作为优选的技术方案，所述摩擦盘模块包括固定安装在所述电机输出轴上的摩擦盘固定架，所述摩擦盘固定架上安装有可轴向移动用于与所述电磁铁模块配合的制动摩擦盘，所述制动摩擦盘与所述摩擦盘固定架之间还设置有摩擦盘复位元件。

作为优选的技术方案，所述摩擦盘复位元件为弹簧垫片，所述弹簧垫片上均布有多个交替设置的垫片安装孔一和垫片安装孔二，所述垫片安装孔一/垫片安装孔二均匀固定在所述制动摩擦盘上，所述垫片安装孔二/垫片安装孔一均匀固定在所述摩擦盘固定架上。

作为优选的技术方案，所述摩擦盘复位元件为多个呈环形布置的拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的一侧与所述制动摩擦盘固定，所述拉伸弹簧的另一侧与所述摩擦盘固定架固定。

作为优选的技术方案，所述制动壳体靠近所述摩擦盘模块的一侧端设置有用于容纳所述电磁铁模块与制动永磁铁的磁铁环形放置槽，所述制动永磁铁夹装在所述电磁铁模块和所述制动壳体之间。

作为优选的技术方案，所述电磁铁模块包括固定安装在所述制动壳体上的电磁铁元件，所述电磁铁元件内安装有控制线圈，所述电磁铁元件的侧端设置有与所述摩擦盘模块配合的环形刹车部。

作为优选的技术方案，所述电磁铁元件靠近摩擦盘模块的一侧端设置有用于容纳所述控制线圈的线圈环形放置槽。

作为优选的技术方案，机械臂关节，包括关节壳体，所述关节壳体内安装有电机组件和减速器组件，其特征在于：所述关节壳体内还安装有所述的制动器组件。

作为优选的技术方案，所述制动壳体的外周固定在所述关节壳体上，所述制动壳体的内周通过制动安装轴承支撑在所述电机输出轴上。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)在本发明中，制动状态时是利用所述制动永磁铁的永磁特性产生摩擦力，形成制动扭矩实现制动状态，与传统的通过弹簧弹力实现制动状态相比，本发明具有力矩较大且制动可靠的优点；

(2)由于所述制动永磁铁为磁环结构，其会产生均匀的环形磁力，形成一个环形磁面，与传统设计中弹簧间隔布置方式相比，其中环形磁面所产生的力矩不仅大，而且稳定性与可靠性较好，制动效果明显得到提升；

(3)制动状态时，弹簧垫片呈波浪形结构，波峰与制动摩擦盘固定，波谷与摩擦盘固定架固定，由于所述弹簧垫片是波峰与波谷间隔交替与所述制动摩擦盘、摩擦盘固定架连接的，因此其抗扭矩效果较好；所以与拉伸弹簧或传统的弹簧相比，采用本发明的弹簧垫片作为所述摩擦盘复位元件不仅具有结构简单紧凑、安装方便等优点，而且使用寿命长、制动力矩大、制动可靠性高的特点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例的结构原理图；

图2是本发明实施例另一角度的结构原理图；

图3是本发明实施例制动组件的结构原理图；

图4是本发明实施例制动摩擦盘的结构示意图；

图5是本发明实施例摩擦盘固定架的结构示意图；

图6是本发明实施例弹簧垫片变形前的结构示意图；

图7是本发明实施例弹簧垫片变形后的结构示意图；

图8是本发明实施例弹簧垫片变形后的侧面图；

图中：

1-关节壳体；11-电机输出轴；12-减速器输出轴；2-电机组件；21-定子；22-转子；3-减速器组件；4-制动组件；41-制动壳体；42-制动安装轴承；43-制动永磁铁；44-摩擦盘固定架；45-制动摩擦盘；46-弹簧垫片；47-电磁铁元件；48-控制线圈；49-环形刹车部；410-垫片安装孔一；411-垫片安装孔二；5-编码器组件；6-驱动组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，机械臂关节，包括关节壳体1，所述关节壳体1作为机械臂关节的安装载体，由一个主壳体和一个侧端盖扣合而成，所述主壳体与侧端盖之间可以采用螺纹连接或螺钉固定。所述关节壳体1内安装有电机组件2、减速器组件3、制动组件4、编码器组件5以及驱动组件6，各个组件设置在所述关节壳体1的内部构成集成式关节结构；所述关节壳体1上设置有用于将机械臂关节连接在机械臂上的壳体安装座，壳体安装座为安装法兰；所述关节壳体1的表面设置有用于电源通过的过线孔，将所述过线孔设置在所述安装法兰的内部，可以方便与其他机械臂进行连接，且避免过线孔外漏。

在本实施例中，所述关节壳体1内安装有电机组件2，所述电机组件2的输出端固定有内部中空的电机输出轴11，所述电机组件2为无框力矩电机，所述电机组件2包括相互配合的定子21与转子22，所述电机组件2的定子21外周过盈配合固定在所述关节壳体1内，所述电机组件2的转子22内周过盈配合固定在所述电机输出轴11上；所述电机输出轴11采用内部中空的结构，可以用于安装关节过线轴或电源线；所述电机输出轴11的一侧安装有减速器组件3，所述减速器组件3的输出端固定有关节过线轴12，所述关节过线轴12同轴套装在电机输出轴11内，在本实施例中，所述关节过线轴12的一端同轴套装在所述电机输出轴11的内部，用于方便所述编码器组件5对关节输出端进行测速，且所述关节过线轴12同样为内部中空结构可用于穿过电源线；所述电机输出轴11的另一侧与所述关节过线轴12之间安装有编码器组件5，所述电机输出轴11上位于所述编码器组件5与所述电机组件2之间安装有制动组件4，所述编码器组件5与所述制动组件4相对一侧安装有驱动组件6。在本实施例中，由于所述编码器组件5与所述制动组件4均需要通过电源进行控制，因此为方便线路布置以及结构的紧凑性，将所述编码器组件5、制动组件4设置在同一侧且靠近所述驱动组件6，达到结构紧凑的效果，提高机械臂关节的集成度。安装时，首先将电机组件2安装在关节壳体1内，然后由一侧将减速器组件3安装在所述关节壳体1内，由另一侧将制动组件4、编码器组件5、驱动组件6依次安装在所述关节壳体1内，然后将侧端盖固定安装即可。

参见图3，所述制动组件4的作用是为了使得停机或停电时，所述电机组件2呈抱死制动状态，来避免机械臂在失电时由于受重力作用而继续运动。

所述制动组件4包括外周固定安装在所述关节壳体1内的制动壳体41，所述制动壳体41的外周与所述关节壳体1之间为过盈配合进行连接，所述制动组件4的内周通过制动安装轴承42支撑在所述电机输出轴11上，所述制动安装轴承42的内圈过盈配合安装在所述电机输出轴11上，所述制动安装轴承42的外圈过盈配合安装在所述制动壳体41的内周，所述制动壳体41作为所述制动组件4的安装基体；所述制动壳体41内固定安装有电磁铁模块，所述电机输出轴11上安装有可轴向移动用于与所述电磁铁模块配合的摩擦盘模块，所述制动壳体41上还安装有与所述电磁铁模块对应的制动永磁铁43；所述电磁铁模块所产生的磁力与所述制动永磁铁43的磁力大小相等且N极、S极的方向相反；所述电磁铁模块通电时，所述电磁铁模块所产生的磁力与所述制动永磁铁43的磁力抵消，所述摩擦盘模块与所述电磁铁模块之间分离，机械臂关节处于工作状态；所述电磁铁模块断电时，所述摩擦盘模块在所述制动永磁铁43的磁力作用下与所述电磁铁模块接触，机械臂关节处于制动状态。

所述制动壳体41靠近所述摩擦盘模块的一侧端设置有用于容纳所述电磁铁模块与制动永磁铁43的磁铁环形放置槽，所述电磁铁模块与所述电磁铁永磁铁均安装在所述磁铁环形方向槽内，并且所述制动永磁铁43夹装在所述电磁铁模块和所述制动壳体41之间，所述电磁铁模块靠近所述电机组件2，使得所述电磁铁模块可以直接与所述电机组件2配合来控制所述电机组件2的停止，并且所述制动永磁铁43与所述电动磁铁模块接触，一方面可以保证所述制动永磁铁43与所述电动磁铁模块之间的快速响应，另一方面所述制动永磁铁43的安装位置由所述电动磁铁模块来定位，不仅方便安装，而且空间布置合理，结构紧凑。

所述制动壳体41的外周设置有过线槽，与所述关节壳体1上的过线孔对应，将外部电源线有序的引用至机械臂关节的内部，并且所述制动壳体41上还设置有多个过线孔，将电源线引导至所述驱动组件6、所述电机组件2以及所述电动磁铁模块的内部。

所述摩擦盘模块包括固定安装在所述电机输出轴11上的摩擦盘固定架44，所述摩擦盘固定架44的内周设置有过盈配合连接在所述电机输出轴的摩擦盘安装座，所述摩擦盘安装座上设置有用于安装其他部件的环形板作为固定架；所述摩擦盘固定架44上安装有可轴向移动用于与所述电磁铁模块配合的制动摩擦盘45，所述制动摩擦盘45与所述摩擦盘固定架44之间还设置有摩擦盘复位元件。

所述电磁铁模块包括固定安装在所述制动壳体41上的电磁铁元件47，所述电磁铁元件47为衔铁，所述电磁铁元件47过盈配合固定在所述制动壳体41上，所述电磁铁元件47内安装有控制线圈48，所述电磁铁元件47的侧端设置有与所述摩擦盘模块配合的环形刹车部49。所述电磁铁元件47靠近摩擦盘模块的一侧端设置有用于容纳所述控制线圈48的线圈环形放置槽，将所述控制线圈48设置在所述电磁铁元件47的内部，所述电磁铁元件47靠近所述制动永磁铁43一侧端面为封闭的，而另一侧靠近所述制动摩擦盘45一侧为半开放的，利于将所述控制线圈48放置在所述线圈环形放置槽内，即能方便所述控制线圈48的配合安装，又能保证在靠近所述制动摩擦盘45一侧形成环形刹车部49，在本实施例中，所述环形刹车部49包括两个同轴的刹车环臂，用于与所述制动摩擦盘45配合实现摩擦制动效果。

所述制动摩擦盘45、所述摩擦盘固定架44、电磁铁元件47、摩擦盘复位元件以及环形刹车部49均为环形结构，并且均同轴设置；所述电磁铁元件47与控制线圈48为现有技术。

所述摩擦盘复位元件为弹簧垫片46，所述弹簧垫片46上均布有多个交替设置的垫片安装孔一410和垫片安装孔二411，所述垫片安装孔一410均匀固定在所述制动摩擦盘45上，所述垫片安装孔二411均匀固定在所述摩擦盘固定架44上。所述弹簧垫片46为具有弹性的环形薄片，参见图7，所述垫片安装孔一410与所述垫片安装孔二411的结构相同，仅是由于与不同部件安装，因此将其定义成不同特征；在本实施例中，分别设置有三个垫片安装孔一410和三个垫片安装孔二411，且垫片安装孔一410与垫片安装孔二411交替设置，用于分别与所述制动摩擦盘45、摩擦盘固定架44连接。

参见图4，所述制动摩擦盘45上设置有三个与所述垫片安装孔一410配合的铆钉孔一，所述垫片安装孔一410与所述铆钉孔一之间通过铆钉一进行连接，而所述摩擦盘固定架44上设置有用于避让铆钉二的通孔一。

参见图5，所述摩擦盘固定架44上设置有三个与所述垫片安装孔二411配合的铆钉孔二，所述垫片安装孔二411与所述铆钉孔二之间通过铆钉二进行连接，而所述制动摩擦盘45上设置有用于避让所述铆钉一的通孔二。

当然也可以将所述垫片安装孔二411均匀固定在所述制动摩擦盘45上，所述垫片安装孔一410均匀固定在所述摩擦盘固定架44上。

所述制动组件4的工作原理为：

制动状态：当电机停机(断开电源)时，所述控制线圈48不通电，此时所述电磁铁元件47不具有磁力，此时所述制动永磁铁43将磁力传递至所述电磁铁元件47，使得所述电磁铁元件47吸合所述制动摩擦盘45，使得所述弹簧垫片46发生变形，由图6中平板结构弯曲变形成图7或图8中波浪形结构，波浪形结构表面形成交替的波峰与波谷，各波峰均匀固定在所述制动摩擦盘45上，而各波谷均匀固定在所述摩擦盘固定架44上，从而使得所述制动摩擦盘45朝向所述电磁铁元件47一侧进行轴向移动，与所述电磁铁元件47的环形刹车部49接触，在所述电磁铁元件47与所述环形刹车部49之间产生环形的摩擦力，通过摩擦力将所述制动摩擦盘45与电磁铁元件47之间进行固定，而由于所述摩擦盘固定架与所述电机输出轴11之间固定连接，所述制动壳体41与关节壳体1之间固定连接，因此形成制动状态，电机转子22被制动而停转；

松开制动状态：当所述电机组件2启动(接通电源时)，所述控制线圈48通电，利用电生磁的原理所述电磁铁元件47产生磁力，此时所述制动永磁铁43产生磁力与所述电磁铁元件47所产生的磁力相互抵消，此时所述电磁铁元件47作用到所述制动摩擦盘45的吸力变小，届时作用到所述弹簧垫片46上的作用力较小，所述弹簧垫片46的弹力大于磁场产生的吸合力而发生变形，即由所述图7或图8中波浪形结构恢复至图6中平板结构，带动所述制动摩擦盘45向远离所述电磁铁元件47一侧轴向移动，即使得所述制动摩擦盘45与所述电磁铁元件47分离，实现松开制动，此时电机正常运转；

现有技术中，失电时，电机的停转是通过利用弹簧自身的弹力来保持的，由于弹簧弹力的力矩偏小，仅采用弹簧弹力来克服机械臂的重力，其制动稳定性较差，而在本发明中，制动状态时是利用所述制动永磁铁43的永磁特性产生摩擦力，形成制动扭矩实现制动状态，与传统的通过弹簧弹力实现制动状态相比，本发明具有力矩较大且制动可靠的优点；同时，由于所述制动永磁铁43为磁环结构，其会产生均匀的环形磁力，形成一个环形磁面，与传统设计中弹簧间隔布置方式相比，其中环形磁面所产生的力矩不仅大，而且稳定性与可靠性较好，制动效果明显得到提升。

此外，所述摩擦盘复位元件也可以替换为多个呈环形布置的拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的一侧与所述制动摩擦盘45固定，所述拉伸弹簧的另一侧与所述摩擦盘固定架44固定。多个均布的拉伸弹簧作为所述摩擦盘复位元件的另一个实施例，可以达到同样的制动目的；但是如果采用拉伸弹簧，那么所述制动摩擦盘45与所述摩擦盘固定架44之间的间隙会增大，使得结构不紧凑，而且所述拉伸弹簧与所述制动摩擦盘45、摩擦盘固定架44之间的连接方式也较为复杂，安装精度很难保证；同时多个独立连接的拉伸弹簧，如果一旦其中一个拉伸弹簧受损或安装存在问题，那么将会影响到整体的制动效果；此外由于制动时，在重力作用下会产生较大的扭转作用下所述电机输出轴11上，从而作用到所述摩擦盘固定架44上，会使得所述摩擦盘固定架44具有向一侧旋转的扭矩，由于所述拉伸弹簧抗扭矩效果较差，当扭矩较大时，会使得所有拉伸弹簧向一侧扭转，那么所述摩擦盘固定架44会存在一定旋转位移，导致制动位置偏转，而在本实施例中，制动状态时，弹簧垫片46呈波浪形结构，波峰与制动摩擦盘45固定，波谷与摩擦盘固定架44固定，由于所述弹簧垫片46是波峰与波谷间隔交替与所述制动摩擦盘45、摩擦盘固定架44连接的，因此其抗扭矩效果较好；所以与拉伸弹簧或传统的弹簧相比，采用本发明的弹簧垫片46作为所述摩擦盘复位元件不仅具有结构简单紧凑、安装方便等优点，而且使用寿命长、制动力矩大、制动可靠性高的特点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。