用于工业机器人的多盘式制动器和包括多盘式制动器的工业机器人

摘要

一种用于工业机器人(1)的多盘式制动器(10)，其中多盘式制动器(10)包括毂部(4)。多盘式制动器(10)包括至少一个摩擦盘(5)，至少一个摩擦盘(5)布置到毂部(4)使得其随着毂部(4)的运动而旋转，并且多盘式制动器(10)还包括能够自由旋转地布置到毂部(4)的制动盘(6)。制动盘(6)具有在制动盘(6)的径向方向上突出的至少一个制动突出部(6A，6B)、以及包括致动器(13)和止动构件(14，16)的致动装置(9)。致动布置(9)被布置成移动止动构件(14，16)使得止动构件(14，16)和至少一个制动突出部(6A，6B)变为接合，由此停止制动盘(6)的任何旋转运动并且通过作用在至少一个摩擦盘(5)与制动盘(6)之间的摩擦产生制动力。

说明书

技术领域

本公开涉及工业机器人领域，并且涉及用于工业机器人的致动器的多盘式制动器。

背景技术

本质安全性是工业机器人的重要设计要求。由工业机器人的力矩和重量产生的动量可能对周围的人造成危害，并且将人员与机器人的工作区域隔离并且确保在动力故障和紧急停止时可以容易地停止移动是很重要的。

工业机器人被称为自动控制的可重新编程的多用途操纵器，其具有多个自由度和独立执行工作任务的能力。它可以具有若干轴线，每个轴线由诸如电动机的致动器提供动力。每个电机的运动通过致动阻止电机的运动的制动器来停止。传统上，电磁致动盘式制动器在机器人臂中是常见的，尽管这些制动器对于小型机器人系统而言通常太大且太重。

发明内容

因此，本公开的目的是减轻已知机器人制动器的至少一些缺点。本公开的另一目的是提供机器人制动器，其是已知机器人制动器的经济有效的替代方案。本公开的又一目的是提供机器人制动器，其是其它已知机器人制动器的可靠替代方案。这些目的和其它目的至少部分通过根据独立权利要求的机器人制动器和根据从属权利要求的实施例来实现。

根据一个方面，本公开涉及用于工业机器人的多盘式制动器。多盘式制动器包括毂部。多盘式制动器还包括至少一个摩擦盘，至少一个摩擦盘布置到毂部使得它随着毂部的运动而旋转。多盘式制动器还包括能够自由旋转地布置到毂部的制动盘，其中制动盘具有在制动盘的径向方向上突出的至少一个制动突出部。多盘式制动器还包括致动装置，该致动装置包括致动器和止动构件。致动装置被布置成移动止动构件使得止动构件和至少一个制动突出部变为接合，由此停止制动盘的任何旋转运动并且通过作用在至少一个摩擦盘与制动盘之间的摩擦产生制动力。

当致动装置被供电时，其移动止动构件使得止动构件位于至少制动突出部的旋转移动路径下方并且将其保持在那里。然后，具有被布置到电机轴的盘的毂部随着电机轴的运动而自由旋转。当致动装置未被供电时，致动布置不再作用于止动构件，并且止动构件移动使得其位于至少制动突出部的旋转移动路径中。至少一个制动突出部将变为与止动构件接合并且由此停止其旋转运动，由此产生制动扭矩。因此，仅在电源关闭时才产生制动扭矩，从而在例如电力故障的情况下为机器人创建可靠的制动机制。

多盘式制动器是用于机器人的对于其它多盘式制动器的相对经济有效的替代方案，因为它由易于构造或已经可用的部件制成。此外，与用于机器人的其它多盘式制动器相比，它具有相对小的尺寸，因为它具有与其它已知的多盘式制动器不同的致动装置。由于在产生制动扭矩时摩擦盘也处于运动中，因此致动装置的致动力不必非常强以产生制动扭矩。

根据一个实施例，多盘式制动器包括布置到毂部的弹簧装置，弹簧装置被布置成压缩制动盘和至少一个摩擦盘。弹簧装置可以包括波形弹簧或缠绕到螺钉的多个弹簧。弹簧装置增加了制动扭矩的法向力。

根据一个实施例，多盘式制动器包括布置到毂部的夹紧盘，夹紧盘具有在夹紧盘的径向方向上突出的多个夹紧突出部，其中至少一个制动突出部容纳在两个夹紧突出部之间。

根据一个实施例，至少一个摩擦盘中的一个摩擦盘间插在夹紧盘与制动盘之间。因此，可以在摩擦盘的两侧上产生制动力，从而增加制动扭矩。

根据一个实施例，止动构件在制动盘的旋转方向上固定，并且能够在毂部的中空轴的轴向方向上移动。

根据一个实施例，多盘式制动器包括容纳毂部和致动装置的壳体，其中壳体被布置成附接到工业机器人的轴线的电机。

根据一个实施例，多盘式制动器包括两个或三个摩擦盘。

根据一个实施例，致动器是机电致动器。

根据一个实施例，致动器包括螺线管。

根据一个实施例，致动器包括电磁线圈。

根据一个实施例，止动构件包括制动销。由于制动盘相对于毂部能够自由旋转，因此制动销可以较小并且不需要大的空间。

根据一个实施例，止动构件包括具有与至少一个制动突出部相匹配的至少一个切口的制动环。

根据第二方面，本发明涉及具有根据第一方面的任一实施例的多盘式制动器的工业机器人，多盘式制动器布置到工业机器人的轴线的电机的电机轴。

根据一个实施例，多盘式制动器布置到电机的后侧的电机轴。

附图说明

图1示出了具有多个电机致动轴线的工业机器人的示例。

图2示出了根据本公开的一个实施例的多盘式制动器的横截面。

图3示出了根据本公开的一个实施例的图2的毂部和多个盘。

图4示出了具有图3的多个盘的毂部的分解图。

图5示出了根据一个实施例的当螺线管被供电并且制动销处于向下时图2中的多盘式制动器的简化版本。

图6示出了其中螺线管已经被消除但未被供电并且制动销处于向上的图5中的布置。

图7示出了根据本公开另一实施例的多盘制动器的横截面。

图8示出了图7所示的实施例的俯视图。

图9示出了根据本公开另外的实施例的多盘式制动器的横截面。

具体实施方式

在图1中，示出了具有多个自由度(DOF)的工业机器人1。机器人1具有六个轴线3，并且轴线的每个接头由致动器2驱动。在直接驱动的情况下，连杆由致动器2直接驱动。用于机器人的三种常用的致动器是液压、气动或电磁的。然而，最常见的类型是电磁致动器，其中有多种类型的电机，例如步进电机、永磁直流(DC)电机和无刷电机。变速器将机械动力从致动器传递到接头。

在机器人1中，第一轴线3A位于机器人基座处并且允许机器人1从一侧旋转到另一侧。第一致动器2A驱动第一轴线3A。第二轴线3B允许机器人1的下臂向前和向后延伸。第二致动器2B驱动第二轴线3B。第三轴线3C延伸机器人的竖直范围。第三致动器2C驱动第三轴线3C。第四轴线3D与第五轴线3E一起工作。第四轴线3D被称为腕部滚动并且使机器人1的上臂以圆周运动进行旋转。第四致动器2D驱动第四轴线3D。第五轴线3E允许机器人上臂的腕部上下倾斜。该轴线3E负责俯仰和偏航运动。第五致动器2E驱动第五轴线3E。第六轴线3F允许机器人臂的腕部以圆周运动旋转，从而扭转运动。第六致动器2F驱动第六轴线3F。每个致动器2(即，电机)经由变速器驱动其所连接的轴线3，并且利用制动器来停止或减小每个电机的电机轴的运动。可以说电机具有其中电机轴与变速器接合的变速器侧、以及其中电机轴从电机伸出的后侧。每个制动器经由连接到电网的电缆供电，并且制动由控制单元(例如，机器人控制单元23)控制。

在下文中，被布置成驱动图1中的机器人1的轴线中的任何轴线的机器人轴线3的电机被称为“电机2”。在图2中，示出了根据一个实施例的多盘式制动器10的横截面，其附接到电机2的后侧上的电机轴12。多盘式制动器10包括具有中空轴11的毂部4，中空轴11被设计为套在电机2的电机轴12上并且附接到电机2的电机轴12。因此，当布置到电机轴12时，中空轴11与电机轴12同轴，并且从而同轴地附接到电机轴12。

毂部4具有在这里形状为中空盘的底部构件4a。包括中空轴11和底部构件4a的毂部4制成一体。底部构件4a位于中空轴11的一端处。底部构件4a具有布置成面向电机2的一个第一侧。底部构件4a还具有被布置成面向多个盘的第二侧，该多个盘被布置到毂部4。中空轴11在第二侧的垂直方向上突出。中空轴11还布置在底部构件4a的中央。多盘式制动器10还布置有在这里形状为圆盘的顶部构件4b。顶部构件4b通过紧固装置(例如，通过一个或两个螺钉(图2中只示出一个))固定到中空轴11的上部。在底部构件4a与顶部构件4b之间布置有多个盘。

布置到毂部4的多个盘可以被套在中空轴11上。一些盘被布置到毂部4使得它们将在毂部4附接到电机轴12时总是随着毂部4和电机轴12的运动而旋转。一些其它的盘被布置到毂部4使得它们在毂部4附接到电机轴12时随毂部4和电机轴12的运动而自由地旋转。在图2中，有三个摩擦盘5布置到毂部4使得它们各自在毂部4与电机轴12一起旋转时随毂部4的运动而旋转。然而，在本公开的范围内，备选的多盘式制动器10可以仅具有一个或两个、或者甚至四个或五个摩擦盘5布置到毂部10。因此，多盘式制动器10的任何摩擦盘5布置到毂部4使得它总是随着毂部4的任何旋转运动而旋转。

多盘式制动器10还包括能够自由旋转地布置到毂部4的制动盘6。制动盘6具有在制动盘6的径向方向上突出的至少一个制动突出部6A、6B。图2至图6中的制动盘6具有位于制动盘6的相对侧上的两个制动突出部6A、6B。制动突出部6A、6B沿制动盘6的圆周布置。然而，制动盘6可以仅具有一个制动突出部、或者沿制动盘6的圆周均匀地铺开布置的三个、四个、五个或六个等。制动突出部6A、6B每个可以具有矩形形状，并且包括制动突出部6A、6B的制动盘6可以是制成一体。制动盘6可以由钢制成。

多盘式制动器10还包括致动装置9，致动装置9包括致动器13和以制动销14为形式的止动构件。致动器13在这里是机电致动器。制动销14在制动盘6的旋转方向上固定，并且能够在毂部4的中空轴11的轴向方向上移动，当多盘式制动器2附接到电机轴12时，毂部4的中空轴11的轴向方向也是电机轴12的轴向方向。在图2中的实施例中，致动器13包括螺线管。致动器13还具有在中空轴11的轴向方向上相对于制动销14突出的突出部。制动销14由推动弹簧15提供动力。制动销14在这里是中空的并且将推动弹簧15容纳在中空部分中。制动销14容纳在引导槽22中，例如，在多盘式制动器10的壳体20中，使得制动销14在被致动器13的突出部向下推动时或在由螺线管所确定地被释放时在中空轴11的轴向方向上转向。但是，可以考虑其它备选布置。致动装置9被布置成移动制动销14使得制动销14和至少一个制动突出部6A、6B变为接合，由此停止制动盘6的任何旋转运动并且通过作用在至少一个摩擦盘5与制动盘6之间的摩擦而产生制动力。在制动销14被向下推动时，制动销14的突出部抵靠壳体20的角撑。在图5和图6中，示出了不制动时(图5)和制动时(图6)的多盘式制动器10。当如图5所示不需要制动力时，螺线管被供电且因此“打开”并且向下推动制动销14，并且从而压缩推动弹簧15。然后，制动销14在电机2的方向上位于制动盘6下方，并且制动盘6可以随着毂部4的运动(即，电机轴12的运动)进行旋转，而不会停止。当如图6所示需要制动力时，螺线管被控制为“关闭”并且不被供电，并且螺线管将释放其在制动销14上的力，并且推动弹簧15将利用弹簧力推动制动销14以便展开，使得制动销14在中空轴11的轴向方向上远离电机2移动。然后，制动销14将位于至少一个制动突出部6A、6B的旋转移动路径中，并且制动突出部6A、6B中的一个将变为与制动销14接合并且产生多盘式制动器10的制动扭矩。制动盘6的运动将因此停止。尽管一个制动突出部6A、6B被制动销14阻挡，但是由于布置在毂部4上的盘之间的摩擦连接，电机轴12仍然可以旋转。紧邻制动盘6的摩擦盘5将继续随着毂部4以及因此电机轴12的运动而旋转，并且由此将在制动盘6与摩擦盘5之间产生摩擦力。在制动盘6和摩擦盘5的相对定位的表面之间产生摩擦力。然后，电机轴12的旋转运动将逐渐变慢，直到达到电机轴12的所期望的旋转运动。如所理解的，可以通过将更多的摩擦盘5在紧邻牢固地附接到毂部4的盘的地方布置到毂部4来增强制动力。

多盘式制动器10可以包括容纳毂部4和致动装置9的壳体20。壳体20可以被布置成附接到电机2。在图2所示的实施例中，致动装置9附接到壳体20。壳体20还可以覆盖毂部4和致动装置9，以便保护部件并且避免任何外部干扰。壳体20也可以分成不同的部分，这将从下面很清楚。

多盘式制动器10可以包括弹簧装置7，以便压缩布置到毂部4的多个盘。在图2至图8中，弹簧装置7呈布置到毂部4的波形弹簧的形状。波形弹簧的形状为带有中心孔的盘。波形弹簧具有波浪形状，并且当在孔的轴向方向上受力时将变为被压缩。从图2至图8中的实施例可以看出，波形弹簧套在毂部4上并且直接布置到毂部4的底部构件4A。当顶部构件4B附接到毂部4时，波形弹簧被布置成压缩被布置到毂部4的多个盘，例如，在底部构件4A与顶部构件4B之间的制动盘6和至少一个摩擦盘5。

波形弹簧可以使用以下关系式基于多盘式制动器10的制动扭矩T的要求来选择：

T＝(n-1)·2·F_s·μ·r_av(1)

其中n是摩擦盘5的数目，F_S是波形弹簧的弹簧力，μ是摩擦盘5的摩擦材料的摩擦系数，以及r_av是摩擦力作用的平均半径。波形弹簧的材料例如是弹簧钢。由多盘式制动器10产生的制动扭矩的量与布置在毂部4上的盘之间产生的摩擦成比例，并且可以利用来自波形弹簧盘的法向力和来自摩擦盘5的摩擦系数来限定。

多盘式制动器10还可以包括布置到毂部4的夹紧盘8。夹紧盘8具有在夹紧盘8的径向方向上突出的多个夹紧突出部8A、8B、8C、8D。夹紧盘8具有圆形外形和圆形内孔。从图3至图6可以看出，圆形外形被在夹紧盘8的径向方向上突出的夹紧突出部8A、8B、8C、8D中断。此后，夹紧突出部8A、8B、8C、8D在毂部4的中空轴12的轴向方向上突出。这个方向垂直于抵靠制动盘6的夹紧盘8的径向方向的方向。至少一个制动突出部6A、6B容纳在两个夹紧突出部8A、8B、8C、8D之间。现在转到图3，更详细地示出了这种配置。这里，与多个盘进行组装的毂部4被单独示出。紧邻毂部4的底部构件4A，布置有波形弹簧7。此后有一个摩擦盘5、夹紧盘8、另外的摩擦盘5、制动盘6、又一摩擦盘5并且最后是顶部构件4B。顶部构件4B通过附接装置21(这里是两个螺钉)附接到中空轴11(图1)。从图3可以看出，一个摩擦盘5间插在夹紧盘8与制动盘6之间。当制动盘6停止时，夹紧盘8也将停止，因为它跟随制动盘6的运动。然而，摩擦盘5将继续随着毂部4的运动而旋转。然后，将在所间插的摩擦盘5的两个侧面产生摩擦力，因为摩擦盘5的侧面中的每个侧面分别与夹紧盘8和制动盘6的侧面中的一个侧面接触。两个制动突出部6A、6B中的每个容纳在两个夹紧突出部8A、8B、8C、8D之间。也就是说，一个制动突出部6A容纳在第一组的两个夹紧突出部8A、8B之间，并且另一制动突出部6B容纳在第二组的两个相对定位的夹紧突出部8C、8D之间。每组夹紧突出部8A、8B、8C、8D被设计为使得当摩擦盘5布置在制动盘6与夹紧盘8之间时，制动突出部6A、6B紧密地配合在每组中的两个夹紧突出部8A、8B、8C、8D之间。因此，制动突出部6A的宽度略小于匹配组中的夹紧突出部8A、8B之间的距离，并且因此另一制动突出部6B的宽度略小于匹配组中的其它夹紧突出部8C、8D之间的距离。此外，制动突出部6A、6B的轴向延伸部至少是摩擦盘5的厚度加上制动盘6的厚度。当盘布置到毂部4时，夹紧突出部8A、8B、8C、8D的径向延伸部使得它延伸到制动突出部6A、6B的径向延伸部的最大50％(例如制动突出部6A、6B的径向延伸部的40％、30％或20％)处。从而制动销14可以与制动突出部6A、6B接合，而不作用于任何夹紧突出部8A、8B、8C、8D。夹紧突出部8A、8B、8C、8D将夹紧盘8保持到制动盘6，并且当制动销14与制动突出部6A、6B接合时，还在制动盘6的两个旋转方向上加强所接合的制动突出部6A、6B。

在图4中，示出了图3中的毂部4的分离的分解视图，并且使用了相同的附图标记。从图4可以看出，在这个实施例中，中空轴11的外侧具有方形横截面。切割方形的边缘，使得中空轴11的方形形状的横截面变为倒角。至少一个摩擦盘5具有中心孔，中心孔的形状与中空轴11的外侧的形状相匹配。从图4可以看出，至少一个摩擦盘5可以具有方形的中心孔。方形的边缘被倒角。当至少一个摩擦盘5套在中空轴11上时，中空轴11的外侧与中心孔的侧面接合使得至少一个摩擦盘5跟随毂部4的运动。因此，至少一个摩擦盘5不能围绕毂部4的中空轴11自由旋转。相反，它跟随中空轴11的任何旋转运动。至少一个摩擦盘5由摩擦材料制成，并且可以用模塑的摩擦片加工。

制动盘6和夹紧盘8每个具有中心圆孔，中心圆孔的半径大于中空轴11的外侧的最大半径。由此制动盘6和夹紧盘8都可以相对于中空轴11自由地旋转。毂部4的底部构件4A可以具有容纳波形弹簧7以便将波形弹簧7保持到毂部4和毂部4的底部构件4A的适当位置的圆形凹部。

在图7、图8和图9中，示出了具有其它致动装置9的多盘式制动器10。这里的致动装置9包括电磁线圈19。电磁线圈19容纳在线圈保持器26中。由于电磁线圈19围绕毂部4延伸，因此使用了以制动环16为形式的止动构件。制动环16具有与至少一个制动突出部6A、6B、6C相匹配的至少一个切口17A、17B、17C。切口17A、17B、17C的数目在这里是三个，但是数目可以替换为一个、两个、四个或五个等。制动突出部6A、6B、6C的数目在这里是三个，但是数目可以替换为一个、两个、四个或五个。在两个切口17A、17B、17C之间有凸起18A、18B、18C，因此在图7至图9所示的实施例中有三个凸起18A、18B、18C。制动环16包括四个螺钉保持器24A、24B、24C、24D，每个螺钉保持器在毂部4的轴向方向上具有通孔。四个螺钉保持器24A、24B、24C、24D围绕制动环16的圆周等距间隔开。螺钉保持器24A、24B、24C、24D的数目在这里是四个，但是数目可以替换为三个、五个或更多个。每个螺钉保持器24A、24B、24C、24D被布置成分别接纳螺钉25A、25B、25C、25D并且自由地保持螺钉25A、25B、25C、25D。当螺钉25A、25B、25C、25D容纳在螺钉保持器24A、24B、24C、24D中时，推动弹簧15围绕每个螺钉25A、25B、25C、25D缠绕在壳体20的容纳部中。推动弹簧15在制动环16与壳体20之间被压缩。电磁线圈19在制动环16与壳体20之间被布置到壳体20。当电源接通时，电磁线圈19被供电并且吸引制动环16并允许一个或多个制动盘5自由旋转。一旦断电，电磁线圈19释放制动环16，由此推动弹簧15在中空轴11的轴向方向上推动制动环16，以阻挡制动盘6并且防止其移动。由于制动环16上的制动突出部6A、6B、6C，制动盘6被阻挡。在图7和图8中，示出了其中电磁线圈19附接到壳体20的底部壳体部分20B的实施例。在图9中，示出了其中电磁线圈19附接到壳体的上壳体部分20A的另一实施例。在这些实施例中，制动环16和电磁线圈19被放置为使得当制动环16从电磁线圈19释放时在制动环16的移动方向上的磨损表面的数目被最小化。这个方向对应于中空轴11的远离电磁线圈19的轴向方向。例如，在图7和图8所示的实施例中，制动环16在制动环16被释放时在轴向方向上远离电磁线圈9向上移动，这表示在制动盘6与上面的摩擦盘5之间只有一个摩擦表面。一旦摩擦盘5的摩擦表面磨损，制动环16将必须行进与仅一个摩擦表面的磨损相对应的较长距离以停止制动盘6。如果电磁线圈19替代地放置到在图7和8中的制动盘6上方的上壳体部分20A和制动环16，由于在制动盘6下方的两个摩擦盘5和一个夹紧盘8，在制动盘6下方将存在三个磨损表面。当摩擦盘5的表面磨损时，制动盘6必须移动与若干摩擦表面的磨损相对应的较长的距离以适应这种磨损，这是不希望的。毂部4上的盘也布置到毂部4使得制动环16的行进距离变得最小化。当制动环16从电磁线圈19释放时，图7至图9中的盘式制动器10在制动环16的移动方向上在制动盘6之后仅定位有一个摩擦盘5。

在图9所示的实施例中，电磁线圈19附接到上壳体部分20A。与图7和图8所示的实施例类似，推动弹簧15围绕容纳在螺钉保持器24A、24B、24C、24D中的每个螺钉25A、25B、25C、25D缠绕。然而，推动弹簧15容纳在制动环16上方在上壳体部分20A与制动环16之间。制动环16与图7和图8所示的实施例相比向上翻转，因此使得切口17A、17B、17C和凸起18A、18B、18C面向电机2。为了使制动环16必须行进的距离最小化，制动盘6靠近毂部4的底部构件4A布置。只有一个摩擦盘5位于底部构件4A与制动盘6之间。当制动盘6随着时间磨损时，制动环16由于磨损而必须行进的延伸路径变得有限。从图9可以看出，总共三个摩擦盘5与制动盘6和两个夹紧盘8一起组装到毂部4。摩擦盘5利用螺钉26布置到毂部4使得它们随着毂部4的运动而旋转。螺钉26在毂部4的中空轴的方向上轴向布置，并且穿过上部构件4B、制动盘5和下部构件4A中的通孔以形成螺钉接头，螺钉接头将毂部4和布置到其的多个盘保持在一起。制动盘6和夹紧盘8在螺钉26的外侧布置到毂部4，使得制动盘6和夹紧盘8可以围绕毂部4的中空轴自由旋转。在布置在螺钉26上的螺母27与上部构件4B之间，螺钉26布置有缠绕在螺钉26上的弹簧形状的弹簧装置7。弹簧装置7压缩布置到毂部4的多个盘。中空轴11在这里没有通孔，而是在其上侧封闭使得整个毂部4具有帽子的形状。帽子的最上部的内侧抵靠电机轴12的端面。一个或多个螺钉可以以安全的方式将毂部4保持到电机轴12。因此，毂部4的上部4B由盘和中空轴11的上侧构成。然而，毂部4的中空轴11可以替代地具有通孔并且如在其它实施例中那样附接到电机轴12。

壳体20可以由铝制成，并且制动盘6和线圈保持器26可以由钢制成以便能够承载磁通量。设计多盘式制动器10时的挑战是适当地确定电磁线圈19的尺寸。在一个实施例中，它应当能够以约1N至2N的力从1.5mm的距离拉动制动环16，并且能够在接触时以稍大的力保持它。为了实现这一点，必须适当地设计电磁线圈19。由于电磁线圈19的大小由多盘式制动器10的大小和形状限定，并且输入电压为24V，因此电磁线圈19的电流和线径是主要的设计参数。

本发明不限于上述优选实施例。可以使用各种替代、修改和等同物。因此，上述实施例不应当被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。