工业机械臂 --- 抱闸系统（Holding Brake）

在工业机器人与伺服传动体系中，机械臂的"抱闸"全称电机保持制动器（Holding Brake） ，是安装于伺服电机或关节驱动单元上的机械制动装置，也常被称为弹簧施力制动器（Spring-applied Brake）、失电制动器（Power-off Brake）或电磁制动器（Electromagnetic Brake）。

它的价值是在伺服电机无法持续输出可靠转矩的场景下，通过机械摩擦力锁止关节，防止机械臂在重力、末端负载或外力作用下产生非预期运动。

一、抱闸的定位与价值

1. 两套独立的保持机制

机械臂关节的位置保持能力，由两套原理完全不同的系统接力实现，二者并非替代关系，而是互补的安全冗余。
#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO p{margin:0;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .label text,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node rect,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node circle,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node ellipse,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node polygon,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .rough-node .label text,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node .label text,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .image-shape .label,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .rough-node .label,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node .label,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .image-shape .label,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .icon-shape,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .icon-shape p,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .servoFill>*{fill:#e1f5fe!important;stroke:#0288d1!important;stroke-width:2px!important;color:#01579b!important;r:10!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .servoFill span{fill:#e1f5fe!important;stroke:#0288d1!important;stroke-width:2px!important;color:#01579b!important;r:10!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .servoFill tspan{fill:#01579b!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .brakeFill>*{fill:#fff3e0!important;stroke:#f57c00!important;stroke-width:2px!important;color:#e65100!important;r:10!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .brakeFill span{fill:#fff3e0!important;stroke:#f57c00!important;stroke-width:2px!important;color:#e65100!important;r:10!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .brakeFill tspan{fill:#e65100!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .targetFill>*{fill:#e8f5e9!important;stroke:#388e3c!important;stroke-width:2px!important;color:#1b5e20!important;r:15!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .targetFill span{fill:#e8f5e9!important;stroke:#388e3c!important;stroke-width:2px!important;color:#1b5e20!important;r:15!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .targetFill tspan{fill:#1b5e20!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .subStyle>*{fill:#f5f5f5!important;stroke:#9e9e9e!important;stroke-width:1px!important;color:#424242!important;font-weight:bold!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .subStyle span{fill:#f5f5f5!important;stroke:#9e9e9e!important;stroke-width:1px!important;color:#424242!important;font-weight:bold!important;}#mermaid-svg-iocexIcg6O7ZZ2uO .subStyle tspan{fill:#424242!important;} 机械抱闸系统
伺服控制系统
编码器反馈
位置环 / 速度环 / 电流环
电机主动输出转矩
弹簧组
摩擦副
制动盘 / 轮毂
电磁释放机构
精确维持关节位置
失能 / 断电后防止关节下坠

伺服系统负责"精确地托住负载"，机械抱闸负责"电机托不住时，不让关节掉下来"。

2. 机械臂配置抱闸的必要性

（1）伺服保持依赖持续通电与闭环控制

机械臂正常运行时，关节姿态并非由抱闸维持，而是依靠伺服电机输出转矩持续平衡重力矩。以六轴机械臂 J2 轴为例，机械臂前伸时，J2 电机需持续对抗大臂自重、小臂自重、腕部与末端执行器重量、工件载荷以及线缆偏心力矩。

单个负载对关节产生的重力矩可表示为：

τg=mglsin⁡θ \tau_g = m g l \sin \theta τg=mglsinθ

其中 mmm 为负载质量，ggg 为重力加速度，lll 为负载重心到关节轴线的距离，θ\thetaθ 为重力方向与连杆姿态的夹角。

对于完整连杆链，某关节承受的总重力矩为其下游所有连杆与负载的重力矩叠加：

τg,j=∑i=jnmig li,j(q) \tau_{g,j} = \sum_{i=j}^{n} m_i g \, l_{i,j}(q) τg,j=i=j∑nmigli,j(q)

机械臂伸展幅度越大，负载力臂越长，关节重力矩通常越大。一旦驱动器失能、电机电流归零，主动转矩将瞬间消失；若无机械制动装置，重力轴会直接下沉甚至坠落。

（2）减速器不能被默认为可靠自锁机构

工业机器人关节普遍采用 RV 减速器、谐波减速器、行星减速器等精密传动机构。这类装置虽具备大减速比与一定摩擦阻尼，但设计上不保证绝对自锁，低速轴侧的负载仍可反向驱动减速器使电机轴转动。

Rockwell Automation 垂直轴技术文档明确指出：传动系统与减速比可辅助保持负载，但无法阻止反向驱动时，驱动失能后负载仍会下移；是否需要额外制动必须基于机械结构与风险评估判定，不能简单认为"有减速器就不会掉"。

（3）抱闸覆盖伺服系统全部失效场景

抱闸的价值是覆盖伺服链路无法工作的所有状态，包括但不限于：

• 控制器正常关机、驱动器 Servo Off
• 急停触发、安全门打开、STO 激活
• 驱动器过流、过温、编码器故障
• 控制器与驱动器通信中断
• 动力电源丢失、整机突发断电
• 设备维修与长期停机
  仅依赖伺服电机时，编码器、驱动器、控制器、电源任一环节失效，都会导致保持转矩丧失；抱闸则为关节提供了独立于电控链路的机械保持路径。

---

二、弹簧加压式电磁抱闸的结构与特性

工业机器人与伺服系统中，弹簧施力、通电释放的常闭式摩擦制动器是绝对主流方案，其核心特性是： 线圈不通电 → 制动器抱紧；线圈通电 → 制动器释放。

这种"失电制动"的设计，使断电本身就会让制动器趋向安全状态，符合失效安全（Fail-Safe）原则。

1. 典型结构组成

单片式电磁抱闸通常集成于电机后端，核心部件如下：

部件	功能描述
压缩弹簧组	断电状态下提供法向压紧力，是制动力的来源
电磁线圈	通电后产生电磁吸力，克服弹簧力以释放制动器
衔铁/压盘	传递弹簧压紧力至摩擦副，同时作为磁路组成部分
摩擦片	通过接触面摩擦产生制动转矩
制动盘/轮毂	与电机轴固连，转矩传递的旋转部件
工作气隙	压盘与磁轭之间的间隙，随磨损发生变化

2. 基本工作原理

断电抱紧过程

当抱闸线圈失电时，制动过程按以下时序发生：

线圈磁场衰减消失
      ↓
弹簧推动压盘轴向移动
      ↓
摩擦片被夹紧于压盘与轮毂之间
      ↓
制动盘受到摩擦阻力矩
      ↓
电机轴被机械锁止

抱闸产生的摩擦转矩可由下式计算：

MB=μFNreff⋅z M_B = \mu F_N r_{\mathrm{eff}} \cdot z MB=μFNreff⋅z

其中 μ\muμ 为摩擦系数，FNF_NFN 为摩擦副总法向压紧力，reffr_{\mathrm{eff}}reff 为有效摩擦半径，zzz 为有效摩擦面数量。

弹簧特性决定压紧力，摩擦材料、表面状态与有效半径共同决定输出转矩。

通电释放过程

当线圈通入额定电压后：

线圈电流上升，磁场逐步建立
      ↓
电磁吸力克服弹簧力吸引衔铁
      ↓
压盘回退，摩擦副分离
      ↓
电机轴解除机械约束，可自由转动

西门子工业安全制动应用文档明确说明：其典型制动器在无电流状态下由弹簧力作用于电机，线圈通电时制动器释放。

需要特别注意：失电抱紧仅代表对电源丢失的失效安全特性，并不代表制动器本身永不失效。摩擦片磨损、油污侵入、弹簧断裂、衔铁卡滞、线圈粘连等故障，仍可能导致抱闸功能失效。

3. 安装位置与转矩传递特性

主流方案：电机高速侧安装

机械臂关节传动链通常可简化为：

伺服电机
   │
电机轴抱闸
   │
减速器
   │
关节输出轴 → 机械臂连杆

抱闸集成于伺服电机后部、减速器输入侧，是工业机器人最普遍的配置，优势非常明显：

• 利用减速比放大制动转矩

  定义减速比 NNN 为电机角速度与关节角速度之比：

  N=ωmωj N = \frac{\omega_m}{\omega_j} N=ωjωm

  理想工况下，电机侧抱闸转矩经减速器放大后作用于关节侧：

  τB,j≈η⋅N⋅MB \tau_{B,j} \approx \eta \cdot N \cdot M_B τB,j≈η⋅N⋅MB

  其中 MBM_BMB 为电机侧抱闸额定转矩，τB,j\tau_{B,j}τB,j 为关节输出侧可获得的制动转矩，η\etaη 为传动效率。

  这意味着体积很小的电机侧抱闸，即可维持很大的关节负载。

• 结构紧凑易集成

  电机后端天然适合布置制动盘、摩擦片、电磁线圈与制动线缆，不占用关节输出端空间，对腕部等空间受限的关节尤为重要。

电机侧抱闸的固有局限

抱闸位于减速器输入侧时，只能锁止从电机到抱闸位置的轴系。若发生以下下游故障，电机抱闸无法阻止输出端运动：

• 减速器轮齿断裂、齿形失效
• 联轴器断裂、花键脱开
• 输出轴或法兰断裂
• 下游结构连接松脱
  因此，普通电机保持抱闸不能直接等同于独立安全制动器。

---

三、抱闸与伺服系统的协同控制

1. 伺服保持与机械制动

对比维度	伺服闭环保持	机械抱闸制动
作用原理	电机闭环主动输出转矩平衡负载	摩擦或机械啮合实现轴系锁止
供电依赖	必须持续通电	常见形式下抱紧状态无需供电
编码器依赖	必须依赖位置反馈	不依赖编码器即可工作
位置误差修正	可自动修正偏差	不能主动修正位置
保持精度	高，可达编码器分辨率级别	受间隙、弹性与摩擦滑移影响
核心用途	运行过程中的精确位置维持	失能与停机后防止负载下坠
连续微调能力	适合高频微调	不适合频繁动作
摩擦磨损	正常保持基本无磨损	动态制动会产生累积磨损

普通抱闸存在机械间隙、摩擦片压缩量与传动弹性，闭合后关节可能出现微小位移。

2. 松闸与抱闸的标准时序

抱闸与伺服的配合时序，直接决定设备安全性与部件寿命，是机器人控制软件的核心状态机之一。

启动松闸时序

机械臂绝不能一上电就立刻释放抱闸------否则电机尚未建立保持转矩时，关节会因重力下沉。

标准启动时序如下：

1. 控制器与驱动器上电自检
2. 读取绝对编码器位置，建立轴坐标系
3. 使能位置环、速度环、电流环
4. 电机输出重力补偿转矩，稳定承接负载
5. 输出抱闸释放指令，线圈通电
6. 等待抱闸完全释放延时 t_release
7. 开放轨迹运动权限

可以通俗理解为：先让电机稳稳托住机械臂，再把机械支架收起来 。

形式化状态流转：

Servo Enable
     ↓
Motor Torque Ready
     ↓
Brake Release Command
     ↓
等待 t_release
     ↓
Motion Enable

释放延时的必要性

抱闸是机械装置，不是理想开关。从线圈通电到摩擦片完全分离，需要经历电流建立、磁场建立、衔铁吸合、弹簧压缩、摩擦面脱开多个阶段，因此存在固有释放延迟 treleaset_{\mathrm{release}}trelease，通常为几十到数百毫秒，具体数值必须以对应电机与驱动器手册为准。

若驱动器过早允许运动，会导致：

• 电机"拖着抱闸"运转
• 电流瞬间冲高、跟随误差增大
• 关节起步冲击、运行异响
• 摩擦片异常磨损
• 电机与制动器过热

停机抱闸时序

正常停机过程与启动完全反向：

1. 伺服按规划轨迹减速
2. 轴速度降至接近零
3. 电机进入位置保持模式
4. 抱闸线圈失电，制动器开始闭合
5. 等待抱闸完全夹紧延时 t_engage
6. 确认负载由抱闸机械承接
7. 撤销电机输出转矩
8. 进入 Servo Off 或 STO 状态

即：先让抱闸接住负载，再让电机松手 。

形式化状态流转：

Velocity → 0
     ↓
Position Hold
     ↓
Brake Apply Command
     ↓
等待 t_engage
     ↓
Torque Disable / STO

若顺序颠倒，会出现停机"掉一下"、带速抱闸、机械冲击、位置偏移、减速器受冲击、摩擦片加速磨损等一系列问题。

3. 制动器的设计定位区分

抱闸不是正常刹车

机械臂的正常减速，应主要由伺服电机完成：

关节运动动能
      ↓
电机产生反向制动转矩
      ↓
机械能转化为电能
      ↓
由直流母线、回馈单元或制动电阻消纳

抱闸的核心职责是：

• 静止状态下的位置保持
• 断电与故障后的兜底制动
• 设计允许的有限次数紧急制动

两类制动器的本质区别

• 保持制动器（Holding Brake）

  • 设计目标：零速或近零速闭合，主要承担静态保持
  • 动态制动次数设计值低
  • 摩擦副体积小，散热能力有限
  • 不适合高频吸收大量动能

• 工作制动器（Service Brake）

  • 设计目标：正常运行中反复制动与释放
  • 具备明确的动态制动功率与制动功指标
  • 允许较高制动频率
  • 摩擦材料与散热设计更充分

SEW-EURODRIVE 技术文档明确将部分制动器定义为"带紧急停车功能的保持制动器"，而非正常工作制动器，并对紧急制动次数与单次制动功作出严格限制。

带速抱闸的损伤机理

运动中的关节携带动能：

Ek=12Jeqω2 E_k = \frac{1}{2}J_{\mathrm{eq}} \omega^2 Ek=21Jeqω2

若电机未完成减速就直接闭合抱闸，这部分动能几乎全部由摩擦副吸收并转化为热量。单次吸收能量越大，摩擦片温升越高、磨损越剧烈、摩擦系数波动越明显，制动器寿命衰减越快。

紧急制动会显著加剧摩擦片磨损，特定工况下磨损量远高于正常水平；同时制动过程中的热效应会降低有效动态制动力矩。

---

四、安全停止体系与功能安全设计

1. 三类安全停止类别与抱闸动作逻辑

急停按下后抱闸如何动作，取决于故障等级与机器人安全架构，绝非"瞬间夹死"这么简单。

理想的受控安全停止（Category 1）

典型流程为：

检测到急停或安全请求
        ↓
伺服保持供电并执行受控减速
        ↓
轴速降至零或安全阈值
        ↓
抱闸机械闭合
        ↓
确认制动器承接负载
        ↓
执行 STO，切断转矩生成能力

这种方式可最大限度降低机械冲击、抱闸磨损与工件脱落风险。SEW 在安全制动设计中也建议：激活 SBC 与 STO 前，优先执行符合 EN 60204-1 停止类别 1 的受控停止。

严重故障与完全断电（Category 0）

若发生控制器瞬间掉电、功率模块严重故障、动力电缆断裂等极端情况，系统无法继续受控减速，则进入兜底状态：

电机转矩瞬间消失
      ↓
抱闸因失电自动开始闭合
      ↓
抱闸在轴仍有转速时承接动能

这是失效兜底工况，而非设计理想工况。因此抱闸必须同时校核静态保持转矩、紧急动态制动能力、单次允许制动功、累计允许制动功与寿命周期。

三类停止类别对比

停止类别	核心含义	对抱闸的影响
Category 0	立即撤销驱动力，非受控停车	可能带速闭合，冲击与磨损最大
Category 1	先受控减速，停稳后撤销动力	通常零速闭合，利于保护抱闸
Category 2	受控停止，停止后仍保留驱动力	依赖伺服保持，抱闸不动作

具体机器人如何将急停、安全门、驱动报警映射到停止类别，需以控制器配置与风险评估为准。

2. 安全子功能

STO（Safe Torque Off）：安全转矩关闭

STO 的作用是阻止驱动器向电机输出驱动转矩 ，但它本身不是机械制动器。

对水平轴，STO 后轴会因惯性继续滑行；对重力轴，STO 后负载会下坠。因此：

STO ≠ 抱闸
STO ≠ 停止负载
STO ≠ 保持位置

重力轴应用中，STO 必须与机械抱闸配合才能构成完整安全方案。

SBC（Safe Brake Control）：安全制动控制

SBC 以安全相关方式控制抱闸线圈供电，确保指令发出时线圈可靠失电、制动器可靠闭合。

但必须明确一个核心边界：

SBC 只能证明制动控制信号被安全撤销，无法证明摩擦片实际输出了足够机械转矩。

SBC 监控的是制动器控制回路，而非制动器机械功能本身；它无法检测机械损坏或摩擦片磨损。

也就是说，完全可能出现"控制器已发抱闸命令、线圈已失电，但摩擦片因磨损或油污抱不住"的失效场景。这就是仅有 SBC 仍不充分的原因。

SBT（Safe Brake Test）：安全制动测试

SBT 的价值是验证抱闸是否真正具备足够保持转矩 。

典型测试流程：

1. 机器人运行至指定测试姿态
2. 伺服维持轴位置
3. 闭合被测轴抱闸
4. 电机向规定方向施加测试转矩
5. 通过编码器监控轴位移量
6. 位移低于阈值则判定通过

若测试转矩下轴出现明显位移，说明存在以下问题之一：

• 抱闸转矩不足、摩擦片磨损
• 摩擦面油污或污染
• 抱闸未完全闭合
• 机械结构连接松动
• 负载参数配置错误

CBC（Cyclic Brake Check）：周期性制动检查

机器人厂商通常将周期性制动测试称为 CBC、Brake Test 或 Brake Check。

KUKA LBR Med 文档要求通过制动测试检查每根轴的制动力矩，指出测试可发现磨损、过热、污染与损坏导致的性能下降；系统会强制执行周期测试，未按时执行则停止运行。

SEW 安全制动资料也将制动测试作为诊断覆盖的核心手段：测试闭合后的制动器能否承受规定转矩，以判断剩余制动力是否充足。

3. 普通抱闸与安全制动系统的边界

日常语境中常说"这台电机带抱闸，所以这个轴是安全的"，这一结论并不严谨。

一只普通电机保持抱闸，通常只提供：

• 额定静态保持转矩
• 基础线圈控制接口
• 有限的动态制动次数

若要作为功能安全组件使用，还必须满足：

• 具备安全相关失效率与 B10D 寿命数据
• 满足所需的 PLr / SIL 等级
• 具备冗余设计或单故障容错能力
• 配套 SBC 安全制动控制
• 配套 SBT 制动测试与诊断
• 考虑共因失效与诊断覆盖率
• 明确的维护与测试周期

系统最终可达到的性能等级，不仅取决于制动器本身，还由架构、部件可靠性、诊断覆盖率、共因失效等整体因素共同决定。

一只机械抱闸只是一个元件；安全制动是由制动器、控制、诊断、冗余与风险评估共同构成的系统功能。

---

五、抱闸选型校核与关节适配

1. 抱闸转矩选型与制动学校核

第一步：计算最坏姿态下的静态负载转矩

对目标关节，总负载转矩为：

τload,j=τgravity,j+τexternal,j \tau_{\mathrm{load},j} = \tau_{\mathrm{gravity},j} + \tau_{\mathrm{external},j} τload,j=τgravity,j+τexternal,j

必须全面计入：

• 机器人自身连杆重量
• 末端工具与工件质量
• 工具重心偏置
• 外部管线与软管力矩
• 安装方式（地装/倒装/壁装）
• 最坏关节姿态
• 可能的外部作用力
  安装方向不同，各轴最坏重力载荷可能完全不同。

第二步：折算到电机侧

若抱闸安装于电机高速侧：

Mload,m=τload,jη⋅N M_{\mathrm{load},m} = \frac{\tau_{\mathrm{load},j}}{\eta \cdot N} Mload,m=η⋅Nτload,j

静态保持的基本选型条件：

MB≥S⋅Mload,m M_B \ge S \cdot M_{\mathrm{load},m} MB≥S⋅Mload,m

其中 SSS 为设计安全系数。

安全系数需要覆盖摩擦系数波动、温度影响、制造公差、磨损衰减、效率变化、负载估算误差与长期性能衰减。

所选制动转矩至少为最大负载转矩的 2 倍。该数值是特定厂商、特定制动器与特定应用下的设计规则，不可无条件套用到所有机械臂场景。

第三步：动态制动校核

若抱闸需承担紧急制动，还需考虑惯性转矩：

Mdyn≈Jeq,mαm±Mload,m M_{\mathrm{dyn}} \approx J_{\mathrm{eq},m} \alpha_m \pm M_{\mathrm{load},m} Mdyn≈Jeq,mαm±Mload,m

其中 Jeq,mJ_{\mathrm{eq},m}Jeq,m 为折算到电机侧的总惯量，αm\alpha_mαm 为电机侧减速度。

负载惯量折算关系：

Jload,m=Jload,jN2 J_{\mathrm{load},m} = \frac{J_{\mathrm{load},j}}{N^2} Jload,m=N2Jload,j

总折算惯量包含电机、抱闸、齿轮与负载：

Jeq,m=Jmotor+Jbrake+Jgear+Jload,jN2 J_{\mathrm{eq},m} = J_{\mathrm{motor}} + J_{\mathrm{brake}} + J_{\mathrm{gear}} + \frac{J_{\mathrm{load},j}}{N^2} Jeq,m=Jmotor+Jbrake+Jgear+N2Jload,j

第四步：制动功与热容量校核

仅校核转矩远远不够，必须同时验证三项能量指标：

• 单次制动功 W1W_1W1：一次紧急制动制动器需吸收的能量
• 每小时允许制动功 WhW_hWh：限制短时间反复急停的热积累
• 总允许制动功 WtotalW_{\mathrm{total}}Wtotal：决定维护或更换前的累计寿命

SEW 选型资料将制动转矩与制动工作容量并列为两大选型条件，并通过单次制动功与累计允许制动功估算维护前的制动次数上限。

2. 不同关节的抱闸依赖度

以典型六轴工业机械臂为例：

关节轴	运动形式	重力影响程度
J1	底座水平回转	通常较小，但受偏心负载与外力影响
J2	大臂俯仰	非常大，最典型重力轴
J3	小臂俯仰	非常大，最典型重力轴
J4	腕部旋转	取决于结构与负载偏心
J5	腕部俯仰	受末端负载重力影响明显
J6	法兰旋转	重力影响通常较小，但工具偏心与线缆扭矩仍需考虑

---

六、故障模式、运维管理与状态监控

1. 常见故障模式与失效机理

抱闸无法释放

典型表现 ：Servo On 后关节不动、电机电流迅速冲高、电机嗡鸣、跟随误差报警、过流过载报警、抱闸释放失败报警、电机或制动器异常发热。

可能原因：

• 抱闸 24V 供电异常、线圈开路/短路
• 抱闸继电器或驱动输出损坏
• 接插件与线缆断线
• 工作气隙过大、衔铁卡滞
• 摩擦片高温粘连
• 线圈电压不足
• 续流与浪涌抑制电路配置错误

抱闸无法保持

典型表现 ：Servo Off 后关节缓慢下沉、断电后姿态改变、重载时轴滑移、制动测试失败、抱闸闭合后编码器仍有持续位移。

可能原因：

• 摩擦片磨损超限
• 摩擦面沾油、水汽或粉尘污染
• 弹簧疲劳或断裂
• 制动盘磨损超限
• 抱闸过热导致摩擦系数下降
• 实际负载超出设计值
• 工具重心配置错误
• 抱闸未完全闭合
• 机械连接松动

SEW 将"制动器保持打开""制动力矩不足""制动器未完全释放"均列为危险故障状态，并建议通过制动测试及早发现。

抱闸部分释放（半拖闸）

制动器既未抱紧也未完全松开，持续轻微摩擦，是极易被忽略的隐性故障。

典型表现 ：电机空载电流偏大、单轴温度明显高于其他轴、运动有摩擦异响、低速不平稳、线圈电流异常、关节起步阻力大、制动器附近有焦糊味。

持续摩擦发热会同时损坏摩擦片、电机、轴承、驱动器与抱闸线圈。

运动中误闭合

可能诱因 ：抱闸控制线瞬断、继电器接触不良、24V 电源跌落、控制逻辑错误、安全链误触发、接插件振动松动、抱闸输出过流保护动作。

后果：关节瞬间冲击、跟随误差超限、制动盘损伤、减速器受冲击、电机过流、工件脱落、机械臂轨迹突变。

2. 周期性制动测试

抱闸是典型的"平时极少动作，关键时刻必须可靠"的部件。仅监控控制信号无法确认机械性能------命令正常、线圈失电，不代表摩擦片一定能抱住。因此必须通过施加测试转矩来验证真实保持能力。

典型自动抱闸测试流程

机器人运动至指定测试姿态
          ↓
伺服闭环维持轴位置
          ↓
闭合待测轴抱闸
          ↓
电机缓慢施加规定方向的测试转矩
          ↓
读取编码器位移量
          ↓
位移 < 阈值：测试通过
位移 ≥ 阈值：测试失败

测试参数通常包括：测试姿态、关节测试方向、测试转矩、施加时长、最大允许位移、编码器监控阈值、负载重心数据、环境温度。

对于双制动器系统，应分别测试每套制动器，而非仅测试双闸同时闭合的总效果。

测试失败的常见原因

制动测试失败不等于一定是摩擦片坏了，正确排查顺序为：

1. 检查工具质量、重心、惯量配置是否正确
2. 确认测试姿态是否符合规范
3. 核查报警信息与抱闸电气状态
4. 分析编码器位移曲线与方向
5. 检查机械连接是否松动
6. 按厂家规程执行制动器深度检查或更换

3. 手动松闸的安全规范

多数工业机器人提供手动抱闸释放功能，用于断电救援、设备搬运、电机减速器维修、特殊姿态恢复等场景。常见方式包括控制柜单轴松闸按钮、本体制动释放按钮、外接 24V 制动电源、专用维护装置、厂家服务软件。

但一旦释放 J2、J3 等重力轴：

抱闸机械释放
    ↓
关节失去机械保持
    ↓
机械臂在重力作用下转动
    ↓
臂体、工具或工件下坠

ABB IRB 140 产品手册明确警告：释放 2 轴电机抱闸后，下臂将变为可移动状态并可能坠落。

因此手动松闸前必须严格执行：

• 使用吊具、支撑架或机械锁销可靠支撑臂体
• 确认工具与工件实际重量
• 清空机器人下方与夹持区域人员
• 一次仅释放必要的轴
• 使用厂家规定的电源与接口
• 禁止随意直接给抱闸线圈通电
• 执行锁定挂牌（LOTO）程序
• 严格遵循对应型号维修手册

核心原则：抱闸不能替代维修支撑。

4. 日常维护要点

电气维护

定期检查项目：

• 抱闸供电电压与纹波
• 线圈电阻与工作电流
• 插头、线束与端子状态
• 抱闸继电器触点与寿命
• 驱动器抱闸输出回路
• 续流二极管与浪涌吸收器
• 释放与闭合响应时间

线圈为感性负载，断电瞬间会产生反向感应电压。

建议根据驱动器电路采用二极管、MOV 等措施抑制感应尖峰，避免损坏继电器或固态输出。

但浪涌抑制方案会直接影响闭合速度：

• 普通续流二极管会减慢线圈电流衰减，延长闭合时间
• 齐纳钳位或有源泄放可加快退磁速度
• 具体方案必须严格遵循驱动器与电机制动器手册

机械维护

定期检查项目：

• 摩擦片剩余厚度
• 工作气隙大小
• 制动盘磨损量
• 摩擦面污染情况
• 弹簧外观与状态
• 衔铁运动顺畅度
• 制动器安装螺钉力矩
• 电机轴与轮毂连接状态
• 异常温升与噪声

学术研究普遍将气隙作为电磁制动器磨损状态的核心指标。Gofran 等人的研究提出，可通过制动器线圈的电压、电流响应估计气隙变化，实现无额外传感器的状态监测。

功能测试

按厂家要求周期执行：

• 周期性抱闸保持测试
• 静态保持转矩验证
• 单轴独立测试
• 紧急停止功能验证
• 负载下沉量检查
• 制动距离测试

周期与方法需依据机器人型号、安全配置、风险评估、制动次数、负载水平、环境条件与厂家手册确定。不可随意高频执行最大转矩制动测试------测试本身也会产生磨损。

5. 软件层面的监控设计

对于机器人驱动或设备端软件，建议独立采集并记录以下关键信号，用于故障定位与寿命分析：

信号名称	物理含义
Servo Enable	伺服使能请求状态
Torque Ready	电机已建立可靠转矩标志
Brake Command	抱闸释放/闭合控制命令
Brake Feedback	抱闸控制或机械反馈
STO Status	安全转矩关闭状态
SBC Status	安全制动控制状态
Encoder Position	关节实际位置
Motor Current	电机实际电流
Joint Velocity	抱闸动作时轴的运动状态
Drive Fault	驱动器故障码
Brake Test Result	周期制动测试结果
Payload Config	工具质量、重心与惯量配置

尤其应记录完整时序数据：

时间戳 | Servo Enable | Motor Current | Brake Command | Brake Feedback | Position | Velocity | STO/SBC State

据此可精确定位：是先掉转矩还是先抱闸、抱闸闭合后轴是否移动、松闸是否过慢、运动中是否误动作、24V 电源是否瞬间跌落。

---

七、概念辨析

1. 易混淆概念辨析

抱闸 ≠ 制动电阻

• 抱闸是机械装置：摩擦副夹紧锁止轴系，解决"机械臂如何停下来并保持不动"。
• 制动电阻是电气耗能装置：消耗电机减速产生的再生电能，解决"减速能量去哪里"。

二者功能完全不同，不能互相替代：

抱闸：机械锁止轴系
制动电阻：电能转热能耗散
STO：禁止电机生成转矩
SBC：安全控制抱闸回路
SBT：验证抱闸机械能力

抱闸 ≠ 重力补偿

伺服使能时，控制器根据动力学模型计算重力补偿转矩：

τcmd=τgravity+τmotion+τfriction+τcontrol \tau_{\mathrm{cmd}} = \tau_{\mathrm{gravity}} + \tau_{\mathrm{motion}} + \tau_{\mathrm{friction}} + \tau_{\mathrm{control}} τcmd=τgravity+τmotion+τfriction+τcontrol

静止时近似为：

τcmd≈τgravity+Kp(qd−q)+Kdq˙ \tau_{\mathrm{cmd}} \approx \tau_{\mathrm{gravity}} + K_p(q_d-q) + K_d \dot{q} τcmd≈τgravity+Kp(qd−q)+Kdq˙

这仍属于电机主动控制范畴。抱闸闭合后，通常不再由位置环持续微调，负载由摩擦力静态承接。

简言之：重力补偿失效 → 臂可能下沉；抱闸正常闭合 → 可防止继续下坠。

上电/断电"咔哒"声是否正常

通常为抱闸释放/闭合、主接触器或安全继电器动作的声音。

• Servo On：电机建矩 → 抱闸释放 → 轻微咔哒
• Servo Off：抱闸闭合 → 电机撤矩 → 轻微咔哒

单次清晰的动作声通常正常，出现以下现象则需排查：

• 连续反复咔哒、频繁吸合释放
• 单轴声音明显异常
• Servo On 后关节无法运动
• Servo Off 后关节明显下沉
• 抱闸区域持续高温
• 松闸后仍有摩擦异响
• 上电瞬间臂体明显跳动

2. 常见认知误区澄清

1. 误区：Servo Off 就等于抱闸了
   不一定。Servo Off 是驱动状态，抱闸是机械状态，二者通过状态机与时序参数联动，并非等同。
2. 误区：发了抱闸命令，轴就安全了
   不成立。命令仅代表控制器要求闭合，是否真正产生足够转矩，必须靠反馈与制动测试验证。
3. 误区：抱闸可以替代正常减速
   通常不可以。正常停车应由伺服完成，抱闸主要在零速或低速时承接负载。
4. 误区：带抱闸的电机就是安全制动系统
   不一定。能否承担安全功能，要看完整的风险评估、架构、可靠性数据、控制与诊断体系。
5. 误区：断电后抱闸会瞬间完全锁死
   不准确。线圈电流衰减、衔铁运动、摩擦片接触都需要时间，在此期间重力轴可能产生一定下沉。
6. 误区：抱闸闭合后位置绝对不变
   不一定。制动器间隙、减速器间隙、轴系弹性、连杆挠曲、摩擦面微滑移，都可能导致微小位移。

总结：抱闸的"接力模型"

可以把伺服电机想象成托举机械臂的人，把抱闸想象成机械支撑架：

• 运行时：电机主动托住负载，抱闸处于释放状态
• 正常停机：电机先停稳并持续托住 → 抱闸闭合并承接负载 → 电机停止输出
• 重新启动：电机先建立保持转矩 → 抱闸释放 → 机械臂开始运动
• 突然断电：电机转矩瞬间丢失 → 抱闸因失电自动闭合 → 尽可能阻止臂体下坠

工业机械臂抱闸是一种以弹簧储能、通常由电磁方式释放的机械保持装置；它在伺服失能或电源丢失时承接负载，但必须与伺服减速、STO、SBC、制动测试、负载计算与风险评估共同组成完整的安全制动系统。