基于智能型驅動器的制動器制動力矩調控方法與流程

本發明屬于工業技術領域，涉及一種基于智能型驅動器的制動器制動力矩調控方法。

背景技術：

常閉式電力液壓或電磁制動器是工業領域內常用的設備，用以對運動部件實施制動，被廣泛應用于起重機小車、大車、起升、變幅裝置的制動，風電設備制動，船舶拋錨時防止錨鏈下錘等工業場合。

常閉式制動器的制動力來源于受壓縮的制動彈簧所提供的夾緊力，開啟力通常來源于電力液壓推動器或電磁鐵。在失電狀態下，制動器因彈簧提供的夾緊力而閉合，夾緊力的大小決定了制動器制動力矩的大小。根據胡克定律，制動彈簧夾緊力與彈簧的預壓縮量成正比，比例系數為彈簧剛度。在已知彈簧剛度的條件下，通過觀測制動彈簧的預壓縮量，即可推斷出制動器摩擦副中的夾緊力，這也是目前此類設備制動力矩的普遍調試方法。

如圖1所示，其中制動盤1隨整機運動副旋轉，摩擦材料2安裝在可以小范圍運動的機架上，制動盤1與摩擦材料2共同構成制動器的摩擦副3，其作用是將運動能量在摩擦副內耗散，并限制制動盤1的運動。常閉式制動器工作時，制動力矩來自摩擦副，其力矩與制動彈簧4提供的夾緊力成正比，制動器開啟裝置5則為制動器提供開啟力，使需要運動副旋轉時制動器可以開啟。

另一方面，由于彈簧制造過程中選材、加工工藝等原因，同型號不同制動彈簧的剛度也存在差異，其制動彈簧的預壓縮量也難以準確觀測，實際使用中往往無法準確設定制動力矩，具體表現為制動力矩過大或不足。實際生產中，制動力矩過大帶來的最大危害為制動沖擊過大，造成傳動鏈中薄弱環節損壞，也容易引起制動器局部迅速升溫、燒毀制動器；而制動力不足則更可能導致無法在預設范圍內停止載荷運動，或在防風、防滑等特殊應用場合，設備發生不可預期的運動，造成事故。每年，當遭遇實際生產中的極端惡劣工況時，都有因制動器制動力矩不合適而發生的事故。

隨著現代裝備自動化程度的提高，在工業制動器場合，也希望可以實現對常閉式制動器中間制動過程的控制，使其在傳統常閉式制動器僅有開啟和閉合兩個工作狀態的基礎上，實現制動中間過程可控。然而，不同于汽車等場合常用的常開式制動器，常閉式制動器中難以精確預知的制動力矩，也是實現類似控制的最大障礙。

綜上所述，本技術領域迫切需要一種可以精確測定制動器制動力矩的測定手段，以滿足工業應用中對安全、自動化等的實際要求。

技術實現要素：

為克服現有技術所存在的缺陷，現提供一種基于智能型驅動器的制動器制動力矩調控方法，以解決現有技術無法準確設定制動力矩的問題，進一步避免事故隱患。

為實現上述目的，本發明的解決方案是：提供一種基于智能型驅動器的制動器制動力矩調控方法，包括以下關于動力矩調試過程的步驟：

提供智能型驅動器，開啟制動器，通過所述智能型驅動器逐漸降低所述制動器其開啟裝置的輸出開啟力，以待所述制動器緩慢閉合；

通過膜片開關陣列觀測制動器的閉合狀況，在滿足所述制動器閉合的條件下，記錄下所述制動器其開啟裝置的實際輸出力大小，根據制動器機械結構中的杠桿比，推算出制動器實際夾緊力的大小；

將所述制動器閉合過程中的實際夾緊力與所要求的夾緊力作對比，根據實際要求，調節制動彈簧的預緊量，以增減所述制動器的實際夾緊力；

重復上述操作，直至得到所述制動器滿足所要求的夾緊力，結束對所述制動器其制動力矩的調整。

優選地，在等待所述制動器緩慢閉合以致觀測所述制動器閉合狀況的過程具體包括：

通過所述智能型驅動器令所述制動器的開啟裝置輸出全額開啟力，令所述制動器處于開啟狀態；

將所述制動器其開啟裝置的輸出力降低一個小量，并維持該輸出力一段時間，期間判斷所述制動器的摩擦副是否閉合；

若所述制動器仍處于開啟狀態，則將所述開啟裝置的輸出力再降低一個小量，并判斷所述摩擦副是否閉合；

若所述制動器閉合，則通過所述智能型驅動器記錄并存儲閉合狀態時所述制動器其開啟裝置的輸出力。

優選地，還包括以下關于動力矩控制過程的步驟：

待完成所述調試過程后，根據所述制動器的工作原理，在所述制動器的工作過程中，其摩擦副內實際的夾緊力為制動彈簧夾緊力減去制動器開啟裝置提供的開啟力；

當所述制動器的開啟力小于所述制動彈簧的夾緊力時，改變所述制動器的開啟力以改變所述摩擦副內的夾緊力及正壓力，并根據摩擦定理，所述制動力矩與所述摩擦副的正壓力成正比，進而使得所述制動力矩可控。

優選地，所述智能型驅動器包括輸入/輸出模塊、嵌入式控制器、執行模塊以及人機接口模塊，所述嵌入式控制器根據指令以及預先錄入的分析處理程序，分別對電力液壓式或電磁式智能型驅動器發出驅動指令，并將其設備運行狀態、實際夾緊力以及各類保護反饋信號的信息通過顯示設備、總線數據、開關量模擬量信號進行輸出。

優選地，所述嵌入式控制器的分析處理程序，在使用過程中獨立運行，且通過所述人機接口模塊預先錄入，以在離線和在線條件下進行編輯、修改和調試。

優選地，所述膜片開關陣列包括膜片開關陣列貼片以及信號采集處理單元，所述膜片開關陣列貼片包括多個膜片開關，每個所述膜片開關包含正負膜片開關電極，當所述膜片開關的兩側均有物體接觸時，兩側電極在壓力作用下接觸，該開關接通；所述膜片開關的電極間設有有絕緣的膜片開關電極彈性支撐，在所述膜片開關的至少一側沒有物體接觸時，電極在所述膜片開關電極彈性支撐的作用下相互分離，以致開關斷開。

優選地，所述信號采集處理單元用于驅動和采集所述膜片開關陣列的輸出開閉狀況信號，并根據預先存儲的程序，判斷所述制動器的摩擦副內各處的開閉狀態，再據此判斷所述摩擦副的整體開閉狀態，最后通過數據總線以及所述輸入/輸出模塊反饋。

優選地，所述制動器的所述摩擦副內通過信號判讀裝置采集所述膜片開關陣列中各所述膜片開關的通斷狀態，進而配合程序判斷出所述摩擦副的開閉狀態，并以開關量、模擬量或總線通訊信號輸出。

本發明基于智能型驅動器的制動器制動力矩調控方法的有益效果包括：

1)本發明的調控方法，可以直接測得摩擦副內實際的夾緊力，較之目前在工業實踐中普遍使用的通過讀取制動彈簧預壓縮量推算夾緊力的方法，回避了制動器制動彈簧普遍存在的剛度誤差引入的夾緊力推算誤差，使制動器制動力矩的測量更為精確；

2)本發明的調控方法利用膜片開關陣列測試制動器開閉狀態，體現了制動器摩擦副實際工作過程，可以在已經安裝完成的制動器摩擦副內測試夾緊力。與使用壓力傳感器測試壓力的方法相比，膜片開關厚度極薄，無需替換摩擦副中原有器件(壓力傳感器測試時需要拆除制動盤，換以壓力傳感器)，操作靈活度明顯提高；

3)本發明中的智能型驅動器采用現代信息技術和電力驅動技術，可以令電力液壓式和電磁式常閉式制動器的開啟裝置輸出已知、可控的開啟力，這相較于傳統制動器開閉裝置只有開啟和閉合兩個工作狀態，帶來很大益處，令對常閉式制動器的控制成為可能，提高了工業應用的靈活度。

附圖說明

圖1為現有工業用常閉式制動器的結構原理圖；

圖2為本發明電力液壓式智能型驅動器的結構原理圖；

圖3為本發明電磁式智能型驅動器的結構原理圖；

圖4為本發明膜片開關陣列其結構原理的側面示意圖；

圖5為對應于圖4中a方向所指的平面結構示意圖；

圖6為對應于圖5中單個膜片開關的結構示意圖；

圖7為對應于圖6的截面剖視結構示意圖；

圖8為本發明膜片開關陣列信號采集電路原理圖；

圖9為本發明制動器制動力矩調控方法的邏輯流程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖所示實施例對本發明進一步加以說明。

常閉式制動器制動力矩的調控方法在具體實施過程中，可以具化為常閉式制動器制動力矩的調試方法和制動力矩的控制方法，具體地：

1.常閉式制動器制動力矩調試方法

本發明首先提供了一種基于智能型驅動器的制動器制動力矩調控方法，常閉式自動器制動力矩調控方法的基礎，是對制動器制動力矩的調試。如圖9所示，為其基本調試流程，具體根據實施的邏輯關聯，又分為兩層循環：

第一層：(1)在流程開始后，首先使用智能型驅動器令制動器開啟裝置輸出全額開啟力，令制動器處于開啟狀態；(2)將制動器開啟裝置的輸出力降低一個小量，并維持該輸出力一段時間，期間判斷制動器摩擦副是否閉合；若制動器仍處于開啟狀態，則將開啟裝置的輸出力再降低一個小量，并判斷摩擦副是否閉合；若制動器閉合，則通過智能型驅動器記錄并存儲閉合狀態時候制動器開啟裝置的輸出力；

第二層：(3)在摩擦副閉合后，對比實際得到的輸出力與期望設定的制動器夾緊力，若不滿足要求，則相應調緊或條送制動彈簧預緊量，重復第一層中步驟(1)和步驟(2)，繼續調整；若滿足要求，則常閉式制動力矩調試過程完成。

2.常閉式制動器制動力矩的控制方法

在具體調試了常閉式制動器制動力矩后，制動器的夾緊力固定不變且已知。根據常閉式制動器工作原理，制動器工作過程中，摩擦副內實際的夾緊力為制動彈簧夾緊力減去制動器開啟裝置提供的開啟力。當制動器開啟力小于制動彈簧夾緊力時，改變制動器開啟力即可改變摩擦副內的夾緊力，及正壓力。根據摩擦定理，制動力矩與摩擦副正壓力成正比，因此制動器制動力矩可控。

由于智能型驅動器可以驅動制動器開啟裝置輸出已知且連續可控的開啟力，則制動器輸出的制動力矩也已知且連續可控，這構成了制動過程控制的必要條件。

在滿足上述條件后，只需根據自動控制原理，應用各類開環、閉環控制算法和控制策略，在連續域或離散域內即可實現對制動過程的控制。

在上述調控方法中，需要使用智能型驅動器和膜片開關陣列兩種核心設備，其具體實施過程如下：

3.智能型驅動器

智能型驅動器的功用，為根據輸入/輸出模塊、數據總線和人機接口的指令，依據一定的預先編寫的程序驅動常閉式制動器的開啟裝置輸出已知、可控的開啟力。其具體結構如圖2和圖3所示，根據驅動對象不同，又可具體分為電力液壓式智能型驅動器(如圖2所示)和電磁式智能型驅動器(如圖3所示)，其具體實施方式如下：

如圖2所示，其中電力液壓推動器葉輪8隨電力液壓推動器電機9轉動，攪動油液7隨之運動，從而在電力液壓推動器活塞6上產生動壓，輸出開啟力。對于確定的電力液壓推動器，其開啟力的大小與動壓成正比，根據伯努利原理，動壓與油液的運動速度有關，即與葉輪8和電機9的轉速有關。嵌入式控制器12根據來自人機接口11、數據總線14和輸入/輸出模塊12的指令信號，令變頻器10輸出適當的驅動頻率，調節電機9的轉速，以獲得已知、可控的開啟力。同時，嵌入式控制器12亦對顯示及人機接口模塊11，輸入/輸出模塊13和數據總線14輸出相應反饋信息。

如圖3所示，其中摩擦材料2安裝在銜鐵16上，與機架不發生轉動，制動盤1與運動副一同轉動，制動彈簧4提供夾緊力即制動力矩；電磁鐵線圈15為電磁常閉式制動器的開啟裝置，電磁鐵線圈15在通以電流后，其吸合力抵消制動彈簧4的夾緊力，吸引銜鐵16向其運動，制動器開啟。根據電磁感應定理，電磁鐵的吸合力大小與電磁鐵線圈15中通的電流成正比。嵌入式控制器12根據來自人機接口11、數據總線14和輸入/輸出模塊12的指令信號，令電子調壓器17輸出適當的驅動電流，調節電磁鐵線圈15中的電流，以獲得已知、可控的吸合力。同時，嵌入式控制器12亦對顯示及人機接口模塊11，輸入/輸出模塊13和數據總線14輸出相應反饋信息。

嵌入式控制器12根據來自顯示及人機接口模塊11、輸入/輸出模塊13和數據總線14的指令，根據預先錄入的分析處理程序，對變頻器10(電力液壓式智能型驅動器)或電子調壓器17(電磁式智能型驅動器)發出驅動指令，并將設備運行狀態、實際夾緊力、各類保護反饋信號等信息通過顯示設備、總線數據、開關量模擬量信號輸出。

嵌入式控制器12中的分析處理程序，在使用過程中可以獨立運行，且通過顯式及人機接口模塊11預先錄入，并可以在離線和在線條件下編輯、修改、調試。

對電力液壓式智能型驅動器而言，其變頻器10根據指令輸出合適的驅動頻率，令電力液壓推動器的電機9以所設定的轉速運轉，使活塞6輸出已知、可控的推出力。對電磁式智能型驅動器而言，其電子調壓器17根據指令輸出合適的驅動電壓，對電磁鐵線圈15通以適當的電流，使其輸出適當的電磁通量，從而使銜鐵16上受到的吸合力已知、可控。

4.膜片開關陣列

膜片開關陣列包括膜片開關陣列貼片19和信號采集處理單元/裝置26。具體地：

如圖4至圖7所示，膜片開關陣列貼片18粘貼于制動器摩擦材料2上，位于摩擦副3的制動盤1與摩擦材料2之間。膜片開關陣列包括一組膜片開關19，依照一定規則布置在膜片開關陣列貼片18上。膜片開關19包括膜片開關電極20/21、膜片開關電極連接導線22/23以及膜片開關電極彈性支撐24，當膜片開關19兩側均有物體貼合時，膜片開關電極(+)20和膜片開關電極(-)21相互貼合，開關接通，膜片開關電極連接導線22/23連通；而當膜片開關19至少一側沒有物體貼合時，膜片開關電極(+)20和膜片開關電極(-)21在膜片開關電極彈性支撐24的作用下分離，開關斷開，膜片開關電極連接導線22/23切斷。因此，使用上述結構的膜片開關陣列可以顯示制動器摩擦副的開閉情況。

膜片開關陣列貼片19包括以一定形式布置的膜片開關19，每個膜片開關19包含膜片開關電極(+)20和膜片開關電極(-)21，當膜片開關兩側均有物體接觸時，兩側電極在壓力作用下接觸，該開關接通；膜片開關電極間有絕緣的膜片開關電極彈性支撐24，在膜片開關至少一側沒有物體接觸時，電極在彈性支撐24作用下相互分離，該開關斷開。膜片開關電極連接導線22/23則將電極與外部電路相連。膜片開關陣列在具體制作時，可以采用光刻、pcb薄板布線等技術，在貼片19上單層、雙層或多層鋪設上述電極和連接線。

如圖8所示，膜片開關陣列貼片18將膜片開關陣列采集信號25傳遞給膜片開關陣列的信號采集處理單元/裝置26，后者通過采集、分析、判斷及其他必要數據處理后，將制動器開閉信息通過數據總線14及輸入/輸出模塊13輸出。

膜片開關陣列的信號采集處理單元/裝置26則用以驅動和采集膜片開關陣列輸出的開閉狀況信號，并根據預先存儲的程序，判斷制動器摩擦副內各處的開閉狀態，并據此判斷摩擦副整體開閉狀態，通過數據總線、輸入/輸出模塊反饋。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。