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伺服電機如何選擇聯軸器

Tag: 伺服電機聯軸器 電機聯軸器 發表日期:2016-04-22

在伺服應用中,選擇合適的聯軸器可能是一件令人困惑的事情, 本文將從正反兩方面對不同聯軸器的技術指標進行闡述。
為伺服系統選配聯軸器是一個復雜的過程,這個過程需要考慮力矩、軸的相對位移、硬度、轉速、尺寸等要求。為了保證聯軸器的正常運轉,這些要求必須非常匹配。在選用聯軸器之前,對這些聯軸器的性能和應用細節進行詳細了解將非常有助于選擇合適的聯軸器。不同的伺服連軸器存在著其自身的優缺點。本文旨在向伺服聯軸器的終端用戶介紹不同聯軸器的性能,同時指出設計中要考慮的因素以及如何針對不同的應用情況選擇合適的聯軸器。

1.螺旋切縫彈性聯軸器

螺旋切縫彈性聯軸器
螺旋切縫彈性聯軸器通常又稱為一體狹縫切割型聯軸器、柔性聯軸器等,它有別于豎直切割的平行切縫聯軸器。螺旋切縫彈性聯軸器通常由鋸切金屬棒材制造,常見的材料如鋁合金等,運用螺旋切縫系統來平衡相對位移和傳遞扭矩。它們通常具有很好的性能和成本經濟性,在很多應用中均為首選產品。
單塊鋁合金棒材一體成型的設計使它具有零背隙傳遞力矩和無需維護的優勢。螺旋切縫彈性聯軸器大致可分為兩個基本系列:單頭螺旋線切縫和多頭螺旋線切縫。單頭螺旋線切縫型有一條長的連續多圈螺旋線切縫,它的柔性很大,并且附加軸承荷載也很小。這種切縫設計可以平衡各種相對位移偏差,最適用于處理角向偏差和軸向偏差,但對平行位移偏差的平衡能力不大,因為單頭螺旋線切縫在處理平行偏差時會產生多方向彎曲,從而導致應力集中過大,致使零件過早損壞。
盡管長的單頭螺旋線切縫具有較大的偏差糾正能力,但它的扭轉剛度不足,這也是單頭螺旋線切縫聯軸器的缺點。
單頭螺旋線切縫聯軸器具有很好的經濟性,比較適用于低扭矩應用,尤其適用于連接編碼器和其它輕型儀器。多頭螺旋線切縫聯軸器通常采用雙頭或多頭螺旋線切縫解決扭轉剛度低的問題。
多頭螺旋線切縫聯軸器在不失去糾偏能力的情況下減小了切縫的長度,多頭螺旋線切縫交纏在一起,增強了聯軸器的扭轉剛度,從而保證聯軸器在具有很大糾偏能力的情況下仍能承受相當大的扭矩。這種性能使它適用于輕負載應用,比如,伺服電機與絲杠的連接。但這種設計也具有它的缺點,隨著尺寸的增加,其附加軸承載荷也會增大,但在大多數情況下,由于安裝偏差較小,所以產生的彎矩也很小,從而保證了低附加軸承載荷。除了一組多頭螺旋線切縫的設計之外,也可采用兩組多頭螺旋線切縫設計。多組多頭螺旋線切縫設計可以使聯軸器更具彎曲柔性和糾偏能力,其它性能也優于單頭螺旋線切縫和單組多頭螺旋線切縫聯軸器,這種聯軸器可以同時向不同的方向彎曲,因此相比之下更實用。
目前,大多數螺旋切縫彈性聯軸器都是用鋁合金做的,但是也有一些廠商用不銹鋼制造。不銹鋼聯軸器除了具有耐腐蝕性之外,同時也增加了聯軸器的扭矩承受能力和剛度,甚至可達到鋁制同類產品的兩倍。不銹鋼的質量和慣性較大,因此扭轉剛度大的優點就大打折扣。例如,在微型馬達應用中,馬達扭矩的很大比例被用來克服聯軸器的慣性,這將嚴重消弱系統的整體性能。

2.十字滑塊聯軸器

十字滑塊聯軸器: 平行糾偏能力最強
十字滑塊聯軸器由兩個轂和一個中心滑塊組成。中心滑塊是由塑料制造,特別情況下可由金屬制造。中心滑塊通過兩邊呈90°相對分布的卡槽和兩側的轂榫接在一起,從而傳遞力矩。中心滑塊和轂間通過微小的壓力吻合,這種結合能使聯軸器具有零背隙特性。
隨著使用時間的增長,滑塊可能會因磨損而失去零背隙特性,但中心滑塊并不貴,也很容易更換,更換后仍能恢復其原有的性能。在使用過程中,中心滑塊的滑動可調節軸的相對平行偏差。因為軸間的偏差只會導致滑塊與轂之間產生摩擦力,因此它們之間的軸承負荷不會因偏差的增加而增大。與其它聯軸器不同, 十字滑塊聯軸器不會產生附加彎矩,因而不會產生附加軸承載荷。
十字滑塊聯軸器的性價比很高,并且有多種滑塊材料可供用戶選擇,這是十字滑塊聯軸器的一大優勢。一些廠商也可以提供多種材料的滑塊來滿足各種應用的不同要求。一般來說有兩類材質,一類材質適用于零背隙、高扭轉剛度和大扭矩的應用,另一類材質適用于低精度定位、非零背隙、但有吸震和減噪要求的應用。非金屬滑塊還有電絕緣作用,可以充當機械保險絲。當塑料滑塊損壞后,扭矩傳遞將被完全終止,從而保護貴重的機械零件。這種設計適用于大的平行偏差(從0.025到0.100英寸或更大,具體取決于聯軸器的尺寸)。
這種聯軸器僅能調節小于0.5°的相對角度偏差和小于0.005英寸的軸向位移,轉速通常小于4000 轉/分鐘。角向偏差過大可使其失去等速特性。分體的三部分設計限制了它的軸向偏差調節能力,例如,它不適用于推拉式應用。同時,因為中心滑塊是浮動的,兩軸的運動必須保證滑塊不會脫落。

3.零背隙梅花聯軸器

梅花聯軸器:吸收沖擊最好的聯軸器

這種聯軸器一般有兩種類型,一種是傳統的直爪型,一種是曲面(內凹)爪型的零背隙聯軸器。傳統的直爪型不適用于精度很高的伺服傳動應用。
零背隙梅花聯軸器是在直爪型的基礎上演變而來的,但不同的是其曲面爪設計能適用伺服系統應用。曲面是為了減少彈性梅花塊的變形和限制高速運轉時向心力對它的影響。
零背隙爪型聯軸器由兩個金屬轂和一個彈性塊組成。梅花塊有多個葉片分支,像十字滑塊聯軸器一樣,它也是通過壓擠來使彈性塊和兩邊的轂吻合的,由此保證了聯軸器的零背隙性能。與十字滑塊聯軸器不同的是,它是通過壓擠傳遞運動,而十字滑塊聯軸器是通過剪力傳遞運動。
在使用零背隙梅花聯軸器時,使用者一定要注意扭矩不能超過彈性元件的最大承受能力(保證零背隙的前提下),否則彈性元件將會被壓扁變形失去彈性,這樣彈性體上的預加載荷將會消失,從而致使聯軸器失去零背隙性能,還可能在發生嚴重問題后才被發現。
梅花聯軸器具有很好的平衡性能,適用于高轉速應用(最大可達40000 轉/分鐘), 但不能適用較大的偏差,尤其是軸向偏差。較大的平行偏差和角向偏差會產生比其他伺服聯軸器更大的附加軸承載荷。另一個值得關注的問題是梅花聯軸器的失效。一旦彈性梅花塊損壞或失效,力矩傳遞并不會中斷,兩轂的金屬爪將嚙合在一起繼續傳遞扭矩,這很可能會導致系統出現問題。根據實際應用選擇合適的彈性梅花塊材料是梅花聯軸器的一大優勢,制造商可提供各種材料的彈性梅花塊,通過不同的硬度和溫度承受能力滿足客戶的實際應用要求。

4.膜片聯軸器

膜片聯軸器: 高扭轉剛度,高速

膜片聯軸器至少由一組金屬疊片(金屬或合成樹脂)和兩個轂組成。金屬疊片被銷釘緊固在轂上,一般不會松動或引起盤和轂之間的反沖。有一些生產商可提供兩組金屬疊片的聯軸器,中間有一個剛性件,兩邊再連在轂上。
單膜片聯軸器和雙膜片聯軸器的不同之處類似于單組螺旋切縫和多組螺旋切縫聯軸器之間的差別,單膜片聯軸器不適用于調節平行偏差,而雙膜片聯軸器可以同時向不同的方向彎曲,所以可以承受平行偏差。
這種特點有點像波紋管聯軸器,實際上聯軸器傳遞力矩的方式差不多。金屬疊片很薄,當偏差荷載產生時它很容易彎曲,因此可以承受高達5度的偏差,同時還能產生較低的軸承負荷。金屬疊片具有很好的扭轉剛度,僅稍遜于波紋管聯軸器。不利之處在于膜片聯軸器非常精巧,如果在使用中誤用或沒有正確安裝則很容易損壞。所以保證安裝偏差在聯軸器的正常運轉承受范圍之內是非常必要的。

5.波紋管聯軸器

波紋管聯軸器: 高扭轉剛度,高度

波紋管聯軸器由兩個轂和一個薄壁金屬管組成,它們用焊接或粘結的方式連接在一起。盡管有很多其它的材料可用,但不銹鋼和鎳還是最常用的波紋管材料。鎳管是用電沉積法制造的。這種方法首先要機加工固態的芯棒,使其成波紋形,利用電鍍法將鎳鍍在芯棒上,然后將芯棒采用化學方法溶解,從而得到鎳材質的波紋管。這種方法能控制波紋管壁厚的精度,并能實現比其他方法制作的波紋管更薄的壁厚。這種薄壁波紋管使聯軸器具有高敏感性和響應迅速的特點,是微型精密儀器的理想選擇。不過較薄的管壁也會減少其扭矩傳遞能力,使其在實際應用中有很大的局限性。
不銹鋼波紋管比鎳材質波紋管剛性更大,強度更高,經常采用液壓成型的方法制造。加氫重整就是把薄壁管放置在機器上,利用液壓和特殊的工裝夾具使其成型。這種波紋管聯軸器的特點使其成為理想的運動控制聯軸器。薄而均勻的管子能夠在三種基本偏差存在的情況下產生彎曲,這三種偏差為軸向、平行和角向偏差。一般情況下,它可以承受1-2°的角向偏差,0.01-0.02"的平行偏差和軸向偏差。
這種薄而均勻的管壁只會產生很低的附加軸承載荷,并且在各處的應力等效,沒有像其他聯軸器那樣的循環高負載點和低負載點,且在承受扭矩時能保持足夠的扭轉剛性。扭轉剛度是決定聯軸器精度的主要因素,扭轉剛度越高,傳遞的精度越高。在伺服聯軸器中,波紋管聯軸器是剛性最好的聯軸器,是高精度和高重復精度應用的理想選擇。針對易腐蝕環境,有的廠商提供不銹鋼轂的聯軸器,但這樣會增加聯軸器的重量,降低波紋管聯軸器的性能。在實際應用中,鋁轂的波紋管聯軸器具有低慣性的特點,這對于要求迅速響應的系統十分重要。一些波紋管聯軸器的制造商將其作為標準產品應用在高轉速應用中(10,000 轉/分鐘)

6.剛性聯軸器

剛性聯軸器:安裝軸對中要求高

顧名思義,剛性聯軸器是一種扭轉剛度為剛性的聯軸器,即使承受負載時也無任何回轉間隙。如果系統中有任何安裝偏差,則會導致軸、軸承或聯軸器過早的損壞,也就是說剛性聯軸器無法用在高速的環境下,因為機器高速運轉時軸上可能會產生高溫,這種高溫會導致軸的伸縮變形,而剛性聯軸器無法補償由于軸的伸縮所造成的軸向尺寸偏差。當然,如果軸的軸向相對位移偏差能被成功地控制,在伺服系統中剛性聯軸器也會發揮很出色的性能。
盡管過去人們不贊成把剛性聯軸器用在伺服傳動中,但由于它具有高扭矩承受力、剛性和零背隙等性能,在運動控制領域中越來越多的用戶開始使用小規格的鋁合金剛性聯軸器。

伺服聯軸器關鍵性能比較

結論
選擇合適的伺服聯軸器是整個系統設計的重要組成部分,它會很大地影響到系統的整體性能。因此,在設計過程中應盡早地考慮聯軸器的選型,并分別把各種聯軸器和系統的功能目標排列對照,這樣就可以避免運動控制應用中常見的各種問題。上述我們討論的每種聯軸器都有其各自的特點,適用于各種不同的應用。目前,市場上存在各種類型的聯軸器,設計工程師可根據需要選擇最合適的聯軸器,使系統性能最優且使用壽命最長。


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