一种刹车制动机构、刹车装置及应用

技术领域

本发明涉及机床技术领域，具体涉及一种刹车制动机构、刹车装置及应用。

背景技术

随着现代工业的迅速发展，装备制造业对机械加工的能力要求不断提高，相应地要求机械加工的母机——机床向大型化、高精度、高效率方向发展。由于液体静压导轨具有油膜承载能力大、刚度高、摩擦因数小、低速不爬行、运动精度高等优点，被广泛应用于超精密机床。超精密机床正常工作时，工作台与导轨之间形成一层很薄的静压油膜，使运动的工作台浮起，油腔内部压力随外载荷的改变而变化，以平衡作用在导轨上的外载荷。在运动和静止状态，液体静压导轨都能保证导轨与工作台面间始终处于纯液体摩擦的状态，因而极大程度上减小了作相对运动时所产生的摩擦阻力。

如果机床发生突然断电或其它电气故障时，液压油泵、直线电机等部件将停止工作，直线移动的工作台会在惯性作用下继续移动，刀具与工件碰撞从而会造成工件损坏、机床故障甚至人员受伤，并且工作台与导轨之间的静压油膜将消失，如果在工作台与导轨之间的静压油膜消失之前工作台运动尚未停止，将导致工作台与导轨发生研磨损伤，表面精度降低从而影响超精密机床的加工精度，甚至会发生更大的危险。这时，工作台具有紧急制动功能就显得尤为重要，能够对机床设备及操作人员起到保护作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如果机床发生突然断电或其它电气故障时，液压油泵、直线电机等部件将停止工作，直线移动的工作台会在惯性作用下继续移动，容易造成机床、工件损坏，甚至对人身安全造成危害，本发明提供了解决上述问题的一种刹车制动机构、刹车装置及应用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种刹车制动机构，包括撑开部件和两组夹紧部件；每组夹紧部件包括夹紧片和转轴；每组夹紧部件中，转轴的一端与夹紧片连接、另一端用于与支撑座连接，转轴用于实现夹紧片相对于支撑座转动连接；夹紧片的两端分别作为撑开端和夹紧端，且撑开端和夹紧端位于转轴与夹紧片相对转动点的两侧；两组夹紧部件的夹紧片相对布置，两个夹紧片的夹紧端相对设置，用于夹持刹车片；撑开部件包括电控驱动件和撑开件；所述电控驱动件驱动撑开件动作，撑开件作用于两个夹紧片相对设置的撑开端，结合夹紧片围绕转动点的转动动作，实现夹紧片相对设置的撑开端的张角趋向张开或闭合动作。

本发明实现的功能是在超精密机床发生断电或者电气故障时，使得移动部件紧急制动，起到保护工件、机床设备以及人身安全的作用。具体的工作原理如下所示：

首先，刹车片安装在待刹车的移动部件上，随移动部件运动，如用于超精密机床时，刹车片装配到液体静压导轨的工作台上，跟随着工作台一起移动。夹紧部件、复位弹簧和撑开部件构成刹车制动机构的主体结构。

其次，设置两组夹紧部件，两组夹紧部件的用于紧急刹车功能的主要部件相同，都有夹紧片和转轴，每组夹紧部件与撑开部件及复位弹簧配合，利用杠杆增力原理实现紧急刹车。具体地，每个夹紧片，以夹紧片与转轴相对转动点作为原点O，如转轴的一端用于与支撑座固定连接、转轴的另一端与夹紧片转动连接，转轴与夹紧片的连接点为原点O点；夹紧片的两端分别作为撑开端(即作用力端)和夹紧端(即反作用力端)。两个夹紧片相对设置，即一个夹紧片的撑开端与另一个夹紧片的撑开端相对，一个夹紧片的夹紧端与另一个夹紧片的夹紧端相对；通过撑开件动作带动两个夹紧片相对设置的撑开端的张角趋向张开或闭合动作，通过原点O点的转动传动，相应地带动两个夹紧片相对设置的夹紧端的张角趋向闭合或张开动作。具体的工作原理：

在刹车状态下，撑开件动作带动两个夹紧片的撑开端的夹角趋向张开，两个夹紧片通过转轴转动，带动两个夹紧片的夹紧端张角趋向闭合、两个夹紧片的夹紧端夹紧刹车片，在夹紧片与刹车片之间的摩擦力作用下实现制动；

在非刹车状态下，撑开件动作带动两个夹紧片的撑开端的夹角趋向闭合，两个夹紧片通过转轴转动，带动两个夹紧片的夹紧端张角趋向张开、夹紧端松开刹车片，撤销刹车作用力。

最后，本发明采用的撑开部件采用电控驱动件驱动撑开件动作，在机床发生断电或者电气故障时，能够通过电信号控制驱动件动作，进而同步驱动撑开件动作，起到紧急制动，保护工件、设备以及人身安全的作用。

此外，转轴用于实现夹紧片相对于支撑座转动连接，实现结构可以是多种连接结构，如转轴的一端用于与支撑座固定连接、转轴的另一端与夹紧片转动连接；或者，转轴的一端用于与支撑座转动连接、转轴的另一端与夹紧片固定连接；或者，转轴的两端分别与支撑座和夹紧片固定连接，转轴的中部设置转动部件，实现夹紧片相对于支撑座转动动作。

进一步优选，还包括复位弹簧，两个夹紧片的夹紧端分别与复位弹簧的两端连接，复位弹簧的压缩方向与两个夹紧片的夹紧端夹紧方向一致；复位弹簧用于保持两个夹紧片的夹紧端在初始状态下保持一定的张开夹角，使得夹紧片不会与刹车片接触，利于使两个夹紧片的夹紧端在整个非刹车状态都能保持这个状态，不影响机床正常加工，解除刹车状态后无需人工调整。

进一步优选，在初始状态下，撑开件对两个夹紧片的撑开端给予一定的作用力，使两个夹紧片的夹紧端夹角有张开的趋势，通过复位弹簧的恢复作用力平衡撑开件的初始作用力，以保持两个夹紧片的夹紧端在初始状态(非刹车状态)下保持一定的张开夹角、不会与刹车片接触，利于保持初始状态下两个夹紧片夹紧端和撑开端的张角始终处于稳定状态。

在刹车状态下，撑开件动作带动两个夹紧片的撑开端的夹角趋向张开，两个夹紧片通过转轴转动，带动两个夹紧片的夹紧端张角趋向闭合、复位弹簧进一步被压缩、两个夹紧片的夹紧端夹紧刹车片，在夹紧片与刹车片之间的摩擦力作用下实现制动；

在非刹车状态下，撑开件动作带动两个夹紧片的撑开端的夹角趋向闭合，两个夹紧片通过转轴转动，带动两个夹紧片的夹紧端张角趋向张开、复位弹簧趋向恢复、夹紧端松开刹车片，撤销刹车作用力。

进一步优选，所述撑开件包括楔形块；在远离夹紧片的方向上，楔形块的截面面积逐渐增大；楔形块的斜面用于与夹紧片的夹紧端接触；所述电控驱动件驱动楔形块直线往复动作。

本发明的撑开件优选采用楔形块结构，结构简单，制作成本低，且操作方便，仅需电驱动件驱动楔形块直线往复动作即可，即保障楔形块沿两个夹紧块的撑开端的张开角的角平分线、或与角平分线平行或接近平行的方向移动；优选沿两个夹紧块的撑开端的张开角的角平分线方向移动，以保障对两个夹紧片均匀作用。此外，撑开件采用楔形块结构，楔形块的斜面用于与夹紧片的撑开端接触，能够很好的匹配两个夹紧片的撑开端的各种张开角度的情况，结构灵活、适用性强、且便于调节初始状态下撑开件对两个夹紧片的预紧作用力。

进一步优选，所述电控驱动件采用电信号控制气动驱动的气缸，气缸的活塞杆通过气缸转接轴与撑开件连接；所述活塞杆上套设有压缩弹簧，压缩弹簧的一端与撑开件的端面连接、另一端与气缸的气缸安装螺母端面连接；电控驱动件驱动撑开件直线往复动作。

电控气动驱动件的电路与机床工作电路能够同时断电，利于快速实现同步制动刹车。

当机床正常工作时，电磁阀的线圈通电，气路接通，气缸在压缩空气的作用下给压缩弹簧一个预压缩量，在复位弹簧的作用下，两个夹紧片的夹紧端不会与刹车片接触，不会干扰机床的正常加工。在遇到突然断电或者电气故障时，电磁阀的线圈断电，气缸放气，在压缩弹簧的作用下，楔形块向前移动使得两个夹紧片的撑开端角度张开，夹紧片绕着转轴旋转，两个夹紧片的夹紧端的张角趋向闭合进而夹紧刹车片，在夹紧片与刹车片之间的摩擦力作用下实现制动。在解决了电气故障后，重新给电磁阀线圈通电，气缸通气后在气缸的作用下将压缩弹簧压缩至初始位置，两个夹紧片还原到初始位置，解除制动。

进一步优选，所述气缸为单作用拉力气缸，气缸的一端由压缩空气驱动，气缸的另一端与大气连通，气缸复位依靠气缸内部的弹簧驱动。

本发明优选气缸为单作用拉力气缸，气缸上气与放气由常闭型两位三通电磁阀来控制，常闭型指线圈没通电时气路是断的，当给线圈通电时，气路接通，线圈一旦断电，气路就会断开。

进一步优选，所述气缸安装在气缸安装板上，所述气缸安装板用于与支撑座连接；所述气缸安装板上开设有腰型孔，且腰型孔的长度方向与撑开件直线往复动作方向同向；通过螺栓穿过腰型孔与支撑座连接。

本发明采用气缸安装螺母将气缸安装在气缸安装板上，结构简单，方便拆卸。通过在气缸安装板上设置腰型孔，以方便调节气缸相对于夹紧片的距离，从而对夹紧力进行调整。

进一步优选，所述夹紧片的夹紧端上、且与刹车片接触部位为弧形凸起结构，弧形凸起结构的曲面用于与刹车片接触。

本发明优选设计与刹车片接触的夹紧端的部位为弧形凸起结构，使夹紧片在转动各种角度情况下，都能保障夹紧端与刹车片有效接触。

进一步优选，还包括支撑座，所述撑开部件安装在支撑座上，所述转轴安装在支撑座上；所述支撑座用于固定在机床底座上、或用于通过底座固定在机床底座上。

通过设计支撑座，使撑开部件和夹紧部件都安装在支撑座上，形成一个统一的整体，便于进一步组装使用。

一种刹车装置，包括上述的一种刹车制动机构，还包括刹车片，所述刹车片用于安装在待刹车运动部件上，与待刹车运动部件同步运动；所述待刹车运动部件包括液体静压导轨的工作台。

一种刹车装置的应用，所述刹车装置为上述的一种刹车装置，用于超精密机床的液体静压导轨紧急刹车。

进一步优选，所述刹车片在液体静压导轨的工作台上的安装位置设置：

若使用单个刹车装置，刹车片的安装位置位于工作台的中间；

若使用双个车刹车装置，刹车片的安装位置在工作台的上对称设置。

刹车片可由螺钉装配到液体静压导轨的工作台上，跟随着工作台一起移动，若使用单个气动刹车装置，刹车片的固定位置需在工作台的中间，否则刹车时会产生扭矩，导致工作台与导轨条磨损，影响工作姿态，若使用双气动刹车装置，安装位置需对称设置。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明在超精密机床发生断电或者电气故障时，使得液体静压导轨工作台紧急制动，保护工件、设备以及人身安全。

本发明结构简单，安装维修比较方便。气动刹车装置可起到断电保护的作用，当超精密机床正常工作情况时，气缸将压缩弹簧压缩，夹紧片由于复位弹簧的存在，不会和刹车片接触而对加工造成影响；遇到突然断电或者电气故障时，气缸断电放气，在压缩弹簧的驱动下，两个夹紧片的夹紧端夹住刹车片，在摩擦阻力的作用下实现制动，从而做到保护财产及人员安全。当电气故障解决后，通过气动控制系统给气缸上气，在气缸的作用下将压缩弹簧压缩至初始位置，两个夹紧片还原到初始位置，解除制动。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的刹车装置立体结构示意图。

图2为本发明的刹车装置俯视图。

图3为本发明的刹车装置侧视局部截面结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-气缸，2-气缸安装板，3-支撑座，4-底座，5-转轴，6-夹紧片，7-刹车片，8-楔形块，9-压缩弹簧，10-复位弹簧，11-气缸转接轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种刹车制动机构，如图1所示，包括两组夹紧部件和撑开部件。每组夹紧部件包括一个夹紧片6和一根转轴5；夹紧片6为异形平板结构，两组夹紧部件的夹紧片6相对布置，使两个夹紧片6的板面相向设置。每组夹紧部件中，转轴5的一端与夹紧片6的底端面转动连接、另一端用于与支撑座3固定连接，转轴5用于实现夹紧片6相对于支撑座3转动连接。夹紧片6的长轴方向两端、且相向的板面部位分别作为撑开端和夹紧端，且撑开端和夹紧端位于转轴5与夹紧片6连接点的两侧。两个夹紧片6的夹紧端相对设置，用于夹持刹车片7。

撑开部件包括电控驱动件和撑开件；所述电控驱动件驱动撑开件动作，撑开件动作用于作用于两个夹紧片6相对设置的撑开端，结合夹紧片6围绕转动点的转动动作，实现夹紧片6相对设置的撑开端的张角趋向张开或闭合动作。具体工作过程如下所示：

在刹车状态下，撑开件动作带动两个夹紧片6的撑开端的夹角趋向张开，两个夹紧片6通过转轴5转动，带动两个夹紧片6的夹紧端张角趋向闭合、两个夹紧片6的夹紧端夹紧刹车片7，在夹紧片6与刹车片7之间的摩擦力作用下实现制动；

在非刹车状态下，撑开件动作带动两个夹紧片6的撑开端的夹角趋向闭合，两个夹紧片6通过转轴转动，带动两个夹紧片6的夹紧端张角趋向张开、夹紧端松开刹车片7，撤销刹车作用力。

实施例2

在实施例1的基础上进一步改进，所述撑开件采用楔形块8，如图2所示，在刹车制动机构的俯视图下，呈锥形结构；在远离夹紧片6的方向上，楔形块8的截面面积逐渐增大，楔形块8的两侧斜面用于与夹紧片6的撑开端接触；电控驱动件驱动楔形块8直线往复动作，且运动方向与两个夹紧片6张角的角平分线方向同向。

电控驱动件采用电控驱动的气缸1，气缸1为单作用拉力气缸，气缸1的一端由压缩空气驱动，气缸1的另一端与大气连通，气缸1复位依靠气缸内部的弹簧驱动。气缸1的活塞杆通过气缸转接轴11与撑开件连接；活塞杆段上套设有压缩弹簧9，压缩弹簧9的一端与撑开件的端面连接、另一端与气缸1的气缸安装螺母端面连接；电控驱动件驱动撑开件直线往复动作。

还包括复位弹簧10，两个夹紧片6的夹紧端分别与复位弹簧10的两端连接，复位弹簧10的压缩方向与两个夹紧片6的夹紧端夹紧方向一致；复位弹簧10用于平衡撑开件的初始作用力，保持两个夹紧片10的夹紧端在初始状态下保持一定的张开夹角。

气缸1安装在气缸安装板2上，气缸安装板2为L型板结构，L型板的竖板上开设有通孔，安装气缸1，L型板的横板上开设腰型孔，且腰型孔的长度方向与电控驱动件驱动撑开件直线往复动作方向同向；通过螺栓穿过腰型孔与支撑座3螺纹连接。

实施例3

在实施例2的基础上进一步改进，夹紧片6的夹紧端上、且与刹车片7接触部位为弧形凸起结构，弧形凸起结构的曲面用于与刹车片7接触。

还包括支撑座3和底座4，气缸安装板2通过螺栓安装在支撑座3上，转轴5安装在支撑座3上；底座4固定在机床底座上。

实施例4

本实施例提供了一种刹车装置，包括实施例3提供的一种刹车制动机构，还包括刹车片7，刹车片7呈L型板，L型板的横板上开设有通孔，用于机床底座通过螺栓连接，刹车片7的竖板用于两个夹紧片6夹紧刹车。使用时，将刹车片7安装在待刹车运动部件上，与待刹车运动部件同步运动，待刹车运动部件包括液体静压导轨的工作台。

实施例5

实施例4提供的刹车装置的应用，用于超精密机床的液体静压导轨紧急刹车。

刹车片7在液体静压导轨的工作台上的安装位置设置：

若使用单个刹车装置，刹车片7的安装位置位于工作台的中间；

若使用双个车刹车装置，刹车片7的安装位置在工作台的上对称设置。

当超精密机床正常工作时，电磁阀的线圈通电，气路接通，气缸1在压缩空气的作用下给压缩弹簧9一个预压缩量，在复位弹簧10的作用下，两个夹紧片6的夹紧端不会与刹车片7接触，不会干扰超精密机床的正常加工。在遇到突然断电或者电气故障时，电磁阀的线圈断电，气缸1放气，在压缩弹簧9的作用下，楔形块8向前移动使得夹紧片6的撑开端夹角扩张，夹紧片6绕着转轴5旋转，使夹紧片6的夹紧端夹紧刹车片7，在夹紧片6与刹车片7之间的摩擦力作用下实现制动。在解决了电气故障后，重新给电磁阀线圈通电，气缸1通气后在气缸1的作用下将压缩弹簧9压缩至初始位置，两个夹紧片6还原到初始位置，解除制动。

在刹车时，两个夹紧片6绕着转轴5旋转形成的杠杆处经过了两次増力，可以使夹紧处达到很大的夹紧力。

此外，气缸安装板2、支撑座3、底座4采用45钢材料，楔形块8、转轴5、气缸转接轴11与夹紧片6采用黄铜材料，刹车片7采用铝合金材料，铝合金的表面硬度小于黄铜的表面硬度，在摩擦力的作用下，多次刹车后铝合金表面会出现划痕等损伤，定期更换刹车片7即可，方便快捷。

在气动刹车装置的装配过程中，改变气缸1进气压力可调整压缩弹簧预压缩量，利用气缸安装板2上的腰型孔以及气缸转接轴11与气缸1的活塞杆间的螺纹连接可调整楔形块8的位置，从而对夹紧力进行调整。若想提高夹紧力，增大气缸1进气压力将压缩弹簧9压缩至更短，然后利用腰型孔将楔形块向靠近夹紧片6一端移动，达到增大刹车时夹紧力的目的。

在气动刹车装置产生摩擦力的实验测试中，测得刹车产生的摩擦阻力大小大约为80N，当液体静压工作台承载质量为700kg，进给速度1000mm/min时，刹车时间需要0.15秒，刹车距离为1.2mm。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。