一种基于弹簧内力补偿的低功耗永磁制动器的制作方法

本发明属于机构制动器技术领域，特别涉及一种基于弹簧内力补偿的低功耗永磁制动器。

背景技术：

制动装置用于在两个相对运动的机构中起到减速和阻止机构相对运动的作用。制动装置可以在需要实现运动机构间的相对静止状态时提供制动作用力，而在需要实现运动机构间的相对自由状态时，制动装置可以释放，使两个运动机构可以自由的运动。

随着机构制动器设计技术的不断进步，稳定、可靠、低功耗的制动装置越来越成为研究人员追求的目标。传统的运动机构制动技术都采用摩擦制动原理，利用永磁铁力、电磁力或者弹簧压力，使制动器与运动机构间压合产生摩擦力，达到制动作用。在释放制动装置时，一般都采用电磁原理，对制动装置内部电磁线圈通电，产生反向电磁力，克服永磁铁吸附力或者弹簧的压力，使制动装置与运动机构脱离，从而使机构可以自由运动。

为了保证两个相对运动的机构可以自由的运动，制动装置需要工作在稳定的脱离释放状态，不仅需要较大的驱动电流实现制动装置的脱离，而且脱离后需要持续对制动器的线圈通电，增加了制动器机构的功耗和发热量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于弹簧内力补偿的低功耗永磁制动器，解决现有技术中传统永磁式、电磁式失电制动器通电脱离时能量消耗大的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于弹簧内力补偿的低功耗永磁制动器，所述永磁制动器包括吸附单元10、安装板4、两个电磁铁6、两个直线轴承8、两个导向柱5、四个弹性系数不等的线性弹簧13、两个拉簧11、四个弹簧拉杆12、摩擦块9、两个电磁铁安装沉头螺钉7以及两个制动器安装螺钉14；所述安装板4通过两个制动器安装螺钉14连接固定于外部的静止机构1上；所述两个电磁铁6由两个电磁铁安装沉头螺钉7固定于安装板4上；所述两个导向柱5由螺纹连接固定于安装板4上，两个直线轴承8内圈分别与两个导向柱5配合连接；所述摩擦块9通过通孔与两个直线轴承8配合连接；所述四个弹簧拉杆12用于安装连接两个拉簧11，所述两个拉簧11通过弹簧拉杆12连接在安装板4与摩擦块9之间；所述四个弹性系数不等的线性弹簧13的一端通过盲孔9-6与摩擦块9配合连接，另一端通过弹簧柱10-9与吸附单元10相连；所述吸附单元10通过通孔与摩擦块9相连。

进一步地，所述吸附单元10包括永磁铁环10-1、铁心10-3、线圈架10-4、铜线圈10-5、磁轭10-6、两个助力吸附块10-7、四个弹簧柱10-9、两个助力吸附块安装螺母10-8以及四个弹簧柱挡圈10-2；所述铁心10-3上套有永磁铁环10-1，在永磁铁环10-1外部套有线圈架10-4，铜线圈10-5缠绕在线圈架10-4上；所述铁心10-3通过其上端螺纹与磁轭10-6的中间螺纹孔连接；所述两个助力吸附块10-7通过两个助力吸附块安装螺母10-8固定在磁轭10-6的两侧；所述四个弹簧柱10-9通过四个弹簧柱挡圈10-2固定在磁轭10-6的四个角上。

进一步地，所述摩擦块9上共有5个通孔，即通孔19-1、通孔29-2、通孔39-3、通孔49-4和通孔59-5,4个盲孔9-6，其中，通孔19-1和通孔29-2分别与两个直线轴承8配合连接；所述摩擦块9的4个盲孔9-6中都放置一个线性弹簧；所述吸附单元10穿过摩擦块9中间的通孔59-5。

进一步地，所述四个弹簧拉杆12用于安装连接两个拉簧11，所述两个拉簧11通过弹簧拉杆12连接在安装板4与摩擦块9之间具体为：每个拉簧11的两端分别连接2个弹簧拉杆12，其中每个拉簧11的一端连接的弹簧拉杆12安装在安装板4上，另一端连接的弹簧拉杆12安装在摩擦块9两端的通孔39-3和通孔49-4中。

本发明利用磁铁材料对导磁性物体具有吸附作用力的特点，在需要对运动机构进行制动时，利用永磁吸附力使制动器的摩擦片与运动机构紧密贴合，贴合面在机构运动时会产生摩擦阻力矩，从而阻止机构的运动，起到制动的作用；在需要释放运动机构使其可以自由运动时，可以控制制动器的摩擦片与运动机构分开脱离，从而使运动机构可以自由的运动，起到制动释放的作用。本发明特点之处在于，在制动器内部设置多组线性压缩弹簧，利用其工作时产生的压缩弹力，起到内力补偿的作用，使运动机构在需要制动器脱开(制动器不对运动机构进行制动)，运动机构可以自由运动时，借助多组线性压缩弹簧提供的内部补偿力，制动器的脱开驱动系统只需要较小的驱动力，即可控制制动器的摩擦面与运动机构的运动部分脱开，解决了传统永磁制动器在控制实现摩擦片脱开运动机构时需要对其施加相对较大驱动力的问题，减少了制动器的驱动能耗和发热量。

附图说明

图1为制动器在两个相对运动机构间的安装示意图；

图2为制动器内部各部分作用力-距离的变化曲线图；

图3为制动器的爆炸视图；

图4为制动器的机构装配视图；

图5为吸附单元爆炸视图；

图6为吸附单元的机构装配视图。

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。

结合图1，图1为制动器在两个相对运动机构间的安装示意图，制动器2安装在外部的静止机构1和旋转机构3之间。

结合图1、图3-图6，本发明提供一种基于弹簧内力补偿的低功耗永磁制动器，所述永磁制动器包括吸附单元10、安装板4、两个电磁铁6、两个直线轴承8、两个导向柱5、四个弹性系数不等的线性弹簧13、两个拉簧11、四个弹簧拉杆12、摩擦块9、两个电磁铁安装沉头螺钉7以及两个制动器安装螺钉14；所述安装板4通过两个制动器安装螺钉14连接固定于外部的静止机构1上，为整个制动装置提供固定的安装基础；所述两个电磁铁6由两个电磁铁安装沉头螺钉7固定于安装板4上，通过控制电磁铁的通电与断电，改变其对吸附单元10的作用力；所述两个导向柱5由螺纹连接固定于安装板4上，两个直线轴承8内圈分别与两个导向柱5配合连接；所述摩擦块9通过通孔与两个直线轴承8配合连接；所述四个弹簧拉杆12用于安装连接两个拉簧11，所述两个拉簧11通过弹簧拉杆12连接在安装板4与摩擦块9之间，对摩擦块9提供拉力；所述四个弹性系数不等的线性弹簧13的一端通过盲孔9-6与摩擦块9配合连接，另一端通过弹簧柱10-9与吸附单元10相连，对摩擦块9和吸附单元10施加推力作用；所述吸附单元10通过通孔与摩擦块9相连。

所述吸附单元10包括永磁铁环10-1、铁心10-3、线圈架10-4、铜线圈10-5、磁轭10-6、两个助力吸附块10-7、四个弹簧柱10-9、两个助力吸附块安装螺母10-8以及四个弹簧柱挡圈10-2；所述铁心10-3上套有永磁铁环10-1，在永磁铁环10-1外部套有线圈架10-4，铜线圈10-5缠绕在线圈架10-4上；所述铁心10-3通过其上端螺纹与磁轭10-6的中间螺纹孔连接；所述两个助力吸附块10-7通过两个助力吸附块安装螺母10-8固定在磁轭10-6的两侧，通过控制电磁铁6的通电与断电，可以改变对助力吸附块10-7的作用力，从而控制施加在吸附单元10上的作用力；所述四个弹簧柱10-9通过四个弹簧柱挡圈10-2固定在磁轭10-6的四个角上，弹簧柱10-9用于连接线性弹簧13，便于线性弹簧13在摩擦块9和吸附单元4之间产生弹性推力；安装板4两端连接两个电磁铁6，电磁铁6底部与吸附单元10的助力吸附块10-7间有间隙。

所述摩擦块9上共有5个通孔，即通孔19-1、通孔29-2、通孔39-3、通孔49-4和通孔59-5,4个盲孔9-6，其中，通孔19-1和通孔29-2分别与两个直线轴承8配合连接，使摩擦块9在直线轴承8的导引下可相对安装板4上下运动；所述摩擦块9的4个盲孔9-6中都放置一个线性弹簧；所述吸附单元10穿过摩擦块9中间的通孔59-5。

所述四个弹簧拉杆12用于安装连接两个拉簧11，所述两个拉簧11通过弹簧拉杆12连接在安装板4与摩擦块9之间具体为：每个拉簧11的两端分别连接2个弹簧拉杆12，其中每个拉簧11的一端连接的弹簧拉杆12安装在安装板4上，另一端连接的弹簧拉杆12安装在摩擦块9两端的通孔39-3和通孔49-4中。

结合图1、图2，制动装置由与工作摩擦面吸合到与工作摩擦面脱离的工作过程如下面所述：

假设永磁铁永磁铁环10-1和工作摩擦面之间的吸附力为F_m，四个线性压缩弹簧13的压缩力为F_p，四个线性压缩弹簧中，采用两种不同的弹性系数，并通过弹簧接触距离的不同组成分段线性弹簧系统，设计F_m和F_p的力与距离曲线关系如图2所示。图2中弹簧力-F_p曲线为实际F_p力曲线关于X轴对称的曲线。铜线圈10-5和两个电磁铁6通电时对吸附单元10产生的电磁力为F_d，两个拉簧的拉力为F_l。

当需要制动装置制动旋转机构3，使旋转机构不能自由旋转时，对铜线圈10-5和两个电磁铁6不通电，吸附单元10则受到方向朝向旋转机构的吸附力F_m和与F_m方向相反的弹簧压力F_p，设计F_m>F_p，则吸附单元10在磁力的作用下与旋转机构的摩擦面吸合。同时，摩擦块9受到弹簧压力F_p的作用，使摩擦块9的摩擦面与旋转机构3的摩擦面压合。即吸附单元10和摩擦块9共同贴合在旋转机构3的摩擦面上，作用力近似为F_m。由上分析，弹簧压力F_p是内力，对外不会影响整个制动器2对工作摩擦面的吸附力大小，制动器对外近似表现为永磁铁环10-1与旋转机构3摩擦面之间的吸附力大小，这样保证了制动器2对旋转机构3摩擦面提供较大的贴合力，同时设计摩擦块9和旋转机构3摩擦面间具有较高的摩擦系数，从而保证有效的制动力矩。

当需要制动器2释放旋转机构3，使旋转机构3可以自由旋转时，即吸附单元10和摩擦块9脱离旋转机构3的摩擦面，对铜线圈10-5和两个电磁铁6通电，电磁铁产生的作用力F_d，方向与F_m的方向相反。由于吸附单元10在制动器内部所受的合力为F_m-F_p，即只要对电磁铁6和铜线圈10-5通少量的电流，使F_p+F_d>F_m，吸附单元10就会与旋转机构3的摩擦面脱离。在吸附单元10脱离工作摩擦面的过程中，永磁力F_m和弹簧压力F_p都会降低，设计吸附单元10与旋转机构3间距离增大到使此时的F_l>F_m，从而在两个拉簧11的作用下，制动器2的摩擦块也与旋转机构3摩擦面脱离，从而完成整个制动装置的释放过程。

当断开对电磁铁6和铜线圈10-5的电源后，制动器2将重复对旋转机构3的制动过程。

可以看到，在实现制动器2与旋转机构3摩擦面的稳定脱离时，借助内部补偿弹簧13的作用，只需要对电磁铁6和铜线圈10-5通入相对较少的电流，克服了传统永磁式、电磁式制动装置保持稳定脱离状态时耗能和发热量较大的缺点，有效地节约了制动系统的能耗。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.失电时制动装置靠永磁铁吸附力产生较大制动作用，稳定可靠。

2.采用弹簧压力内平衡法设计，控制制动装置释放运动机构时只需要输入较小电流，可有效地节省系统能耗和降低发热量。

以上对本发明所提供的一种基于弹簧内力补偿的低功耗永磁制动器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。