伺服電機如何選開聯(lián)軸器

在伺服應(yīng)用中選擇最適合型號的聯(lián)軸器可能是一件令人困惑的事情，因為伺服系統(tǒng)選配聯(lián)軸器是一個復(fù)雜的過程。這個過程包含了很多不同的性能因素，包括力矩、軸的偏差、硬度、轉(zhuǎn)速、空間要求等等，聯(lián)軸器需要滿足所有這些以便使系統(tǒng)正常的運轉(zhuǎn)。在選擇聯(lián)軸器之前，需要我們對這些聯(lián)軸器的性能和其應(yīng)用進行詳盡的了解。不同類型的聯(lián)軸器存在著其自身的優(yōu)缺點。本文旨在向伺服聯(lián)軸器的終端用戶介紹不同類型聯(lián)軸器在各種伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，同時幫助終端用戶指出在設(shè)計制造過程中要考慮的因素及如何有效連接不同產(chǎn)品來正確選擇合適的聯(lián)軸器。

 開縫式聯(lián)軸器

開縫式聯(lián)軸器通常由單塊金屬制成，常用鋁、不銹鋼，運用平行或螺旋切縫系統(tǒng)來適應(yīng)偏差和傳遞扭矩。它們通常有很好的性能且有價格優(yōu)勢，在很多實際運用中，它是首選的產(chǎn)品。單塊原材料的設(shè)計使它實現(xiàn)了無背隙地傳遞力矩和無須維護的優(yōu)勢。這里有兩個基本的系列：螺旋槽型和平行槽型。

螺旋槽型有一條連續(xù)的多圈的長切縫，這使聯(lián)軸器具有很好的彈性和很小的軸承負(fù)載。它可以承受各種偏差，最適合用于處理角向位移和軸向位移，但平行偏差的承受力較弱，因為要同時把螺旋槽在兩不同的方向彎曲，會產(chǎn)生很大的內(nèi)部壓力，從而導(dǎo)致零件過早的損壞。盡管長螺旋槽型聯(lián)軸器能在承受偏差情況下很容易地彎曲，但在扭力負(fù)載的下對聯(lián)軸器的剛性也有同樣的影響。扭力負(fù)載下過大的回轉(zhuǎn)間隙會影響聯(lián)軸器的精度并削弱其整體的性能。

螺旋槽型聯(lián)軸器是一種經(jīng)濟的選擇，最適合用于低扭矩應(yīng)用中，尤其在連接編碼器和其他較輕的儀器中。

平行槽型聯(lián)軸器通常有6－8個切縫，以此來對付低扭矩剛性問題。平行槽型慮及到了不減弱承受偏差能力的情況下使切縫變短，短的切縫使聯(lián)軸器的扭矩剛度增強并交疊在一起，使其能承受相當(dāng)大的扭矩。這種性能使它適用于輕負(fù)荷的應(yīng)用，比如，伺服電機與絲杠的連接。同時這種性能也不是沒有任何負(fù)面的作用的：隨著切縫尺寸的增加，其軸承負(fù)荷也會加大，但大多數(shù)情況下，還能足夠有效地保護軸承。不過增加尺寸意味著增加承受平行偏差的能力。

現(xiàn)在大多數(shù)的此系列聯(lián)軸器是用鋁做的，但是也有一些廠商提供設(shè)計用不銹鋼生產(chǎn)。不銹鋼聯(lián)軸器除了耐腐蝕外，同時也增加了扭矩承受能力和剛度，有時能達(dá)到兩倍于鋁制同類產(chǎn)品。然而這種增加的扭矩和剛度也被增加的質(zhì)量和慣性而抵消。很多時候負(fù)面影響也會超過其優(yōu)點，這樣使用戶不得不去尋找其他形式的聯(lián)軸器。在小型電機應(yīng)用中很大比率的馬達(dá)扭矩被用來克服聯(lián)軸器的慣性，這將嚴(yán)重削弱系統(tǒng)的整體性能。

 十字滑塊聯(lián)軸器

十字滑塊聯(lián)軸器,由兩個轂和一個中心滑塊組成。中心滑塊作為一個傳遞扭矩元件通常由塑料制成，很少情況下由金屬制成。中心滑塊通過兩邊呈90°相對分布的卡槽和兩側(cè)的轂連接在一起，從而來傳遞扭矩。中心滑塊和轂間用微小的壓力進行吻合，這種壓力能使聯(lián)軸器在設(shè)備運轉(zhuǎn)中具有無背隙運轉(zhuǎn)。隨著使用時間增長，滑塊可能會因受到磨損而失去無反沖的功能，但中心滑塊并不貴，也很容易更換，更換后仍能發(fā)揮其原有的性能。在使用過程中通過中心滑塊的滑動來適應(yīng)相對位移。因為抵抗相對位移的是滑塊與轂之間的摩擦力，因此它們之間的軸承負(fù)荷不會因相對位移的增加而加大。 
不像其它的聯(lián)軸器，它沒有能象彈簧一樣工作的彈性部件，因此不會因為軸間的相對位移的增加而使軸承負(fù)荷加大。無論如何這種系列的聯(lián)軸器比較物超所值，能選擇不同材料的滑塊是這種聯(lián)軸器的一大優(yōu)勢。一些廠商提供多種原材料的選擇來適應(yīng)不同的應(yīng)用。一般來說，一類材質(zhì)適用于無背隙、高扭矩剛性和大扭矩的情況下，另一類材質(zhì)適用于低精度定位、無需無背隙、但有吸震和減噪作用。非金屬滑塊還有電絕緣作用，可以充當(dāng)機械保險絲來用。當(dāng)塑料的滑塊損壞后，傳遞將被完全終止，從而保護貴重的機械零件。這種設(shè)計適用于大的平行相對位移（從0.025"到0.100"或更大要看聯(lián)軸器的尺寸）。聯(lián)軸器制造商通常提供低于本身能力的處理參數(shù)，以增加零件的使用壽命。

這種聯(lián)軸器，僅能適用于小于1°的角向相對位移和小于0.01"的軸向位移和不高于轉(zhuǎn)速為4000 轉(zhuǎn)/分鐘的情況下使用。度數(shù)大的角向位移可使其失去勻速特性。分體的三部分設(shè)計，限制了它處理軸向位移的能力，比如不可用在推拉式應(yīng)用中。同時，因為中心滑塊是浮動的，兩軸運動必須保證滑塊不會脫落。

 梅花型聯(lián)軸器

這種聯(lián)軸器一般有兩種類型，一種是傳統(tǒng)的直爪型的，一種是曲面（內(nèi)凹）爪型的無背隙聯(lián)軸器。傳統(tǒng)的直爪型的不適合用在精度很高的伺服傳動的應(yīng)用中。無背隙爪型聯(lián)軸器是在直爪型的基礎(chǔ)上演變而來的，但不同的是其設(shè)計能適合伺服系統(tǒng)的應(yīng)用。曲面是為了減少彈性梅花塊的變形和限制高速運轉(zhuǎn)時向心力對它的影響。無背隙爪型聯(lián)軸器由兩個金屬轂和一個彈性塊結(jié)合而成。梅花塊有多個葉片分支，象十字滑塊聯(lián)軸器一樣，它也是通過壓擠來使彈性塊和兩邊的轂吻合的并以此保證了其無背隙性能。與十字滑塊聯(lián)軸器不同的是，它是通過壓擠傳動的，十字滑塊聯(lián)軸器是通過剪力傳動的。在使用無背隙爪型聯(lián)軸器時，使用者一定要注意不能超過生產(chǎn)商給出的彈性元件的最大承受能力（保證無背隙的前提下），否則彈性元件將會被壓扁變形失去彈性，預(yù)加負(fù)荷消失，從而失去無背隙的性能，還可能在發(fā)生嚴(yán)重的問題后使用者才會發(fā)現(xiàn)。

 爪型聯(lián)軸器

具有很好的平衡性能和適用于高轉(zhuǎn)速應(yīng)用（最大可達(dá)40000 轉(zhuǎn)/分鐘），但不能處理很大的相對位移，尤其是軸向的。較大的平行和角向位移會產(chǎn)生比其他伺服聯(lián)軸器大的軸承負(fù)荷。另一個值的關(guān)注的問題是爪型聯(lián)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，同時兩轂的金屬爪嚙合在一起繼續(xù)傳遞扭矩，這很可能會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問題。根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的彈性梅花塊原料是本聯(lián)軸器的一大優(yōu)勢，生產(chǎn)商提供各種彈性材料的梅花塊，不同的硬度和溫度承受力，讓客戶選擇合適的材料滿足實際應(yīng)用的性能標(biāo)準(zhǔn)。

 膜片式聯(lián)軸器

膜片式聯(lián)軸器至少由一個膜片和兩個轂組成。膜片被用銷釘緊固在轂上一般不會松動或引起膜片和轂之間的反沖。有一些生產(chǎn)商提供兩個膜片的，中間有一個剛性件，兩邊再連在轂上。單膜片和雙膜片的不同之處是處理各種偏差能力的不同，鑒于其需要膜片能復(fù)雜的彎曲，所以單膜片不太適應(yīng)平行偏差。而雙膜片的聯(lián)軸器可以同時曲向不同的方向，以此來承受平行偏差。

這種特點有點象波紋管聯(lián)軸器，實際上聯(lián)軸器傳遞力矩的方式差不多。膜片很薄，當(dāng)相對位移荷載產(chǎn)生時它很容易彎曲，因此可以承受高達(dá)3度的偏差，同時在司服系統(tǒng)中產(chǎn)生較低的軸承負(fù)荷。膜片具有很好的扭矩剛性，稍遜波紋管聯(lián)軸器。不利方面是，膜片式聯(lián)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。所以保證偏差在聯(lián)軸器的正常運轉(zhuǎn)的承受范圍之內(nèi)是非常必要的。

 波紋管聯(lián)軸器

波紋管聯(lián)軸器由兩個轂和一個薄壁金屬管組成，它們用或焊接或粘結(jié)的方式連接在一起。盡管很多其它的材料可用，但不銹鋼和鎳還是最常用的金屬管材料。鎳管是用電沉積法完成的。這種方法首先要機加工固體的芯棒，使其成波紋形，利用電鍍鎳在芯棒上，然后芯棒被化學(xué)溶解，從而得到鎳的波紋管。這種方法能控制波紋管壁厚的精度，并能得到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(lián)軸器具有高敏感性和反應(yīng)迅速，使它成為理想的用于極小且精密的儀器應(yīng)用中。不過較薄的管壁也會減少其扭矩傳遞能力，使其在實際應(yīng)用中有很大的局限性。

不銹鋼波紋管比鎳金波紋管更具有剛性、強度，經(jīng)常用液壓整形來制造。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夾具使其成型。這種波紋管聯(lián)軸器的特點使其成為理想的用在運動控制中的零件。薄而均勻的管子在承受三種軸之間基本的偏差時而引起負(fù)荷時可以使其易彎曲，這三種基本偏差為軸向、平行和角向。一般情況下，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使其產(chǎn)生很低的軸承負(fù)荷，保持旋轉(zhuǎn)各點的恒量，沒有象其他聯(lián)軸器那樣破壞循環(huán)的高負(fù)荷點和低負(fù)荷點，且在承受扭力負(fù)載時保持剛性。扭矩剛性是決定聯(lián)軸器精準(zhǔn)度的主要因素，剛度越好傳遞的精度越高。在伺服聯(lián)軸器中，波紋管聯(lián)軸器是剛性好的，在適應(yīng)高精度和高重復(fù)性應(yīng)用中是最理想的聯(lián)軸器。針對易腐蝕環(huán)境中，有的廠商提供不銹鋼轂的聯(lián)軸器，這樣增加了質(zhì)量降低了這種聯(lián)軸器的性能優(yōu)勢。使用鋁轂的波紋管聯(lián)軸器在實際應(yīng)用中的低慣性，這在當(dāng)今的迅速反應(yīng)系統(tǒng)中是十分重要的性能。一些波紋管聯(lián)軸器的生產(chǎn)商為平衡他們的聯(lián)軸器，作為標(biāo)準(zhǔn)提供其應(yīng)用在高轉(zhuǎn)速的應(yīng)用中（10,000 轉(zhuǎn)/分鐘）

 剛性聯(lián)軸器

剛性聯(lián)軸器，顧名思義，實際上是一種扭轉(zhuǎn)剛性的聯(lián)軸器，即使承受負(fù)載時也無任何回轉(zhuǎn)間隙，即便是有偏差產(chǎn)生負(fù)荷時，剛性聯(lián)軸器還是剛性傳遞力矩。如果系統(tǒng)中有任何偏差，則會導(dǎo)致軸、軸承或聯(lián)軸器過早的損壞，也就是說其無法用在高速的環(huán)境下，因為它無法補償由于高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫而產(chǎn)生的軸間相對位移。當(dāng)然，如果相對位移能被成功的控制，在伺服系統(tǒng)應(yīng)用中剛性聯(lián)軸器也會發(fā)揮很出色的性能。盡管過去人們不贊成把剛性聯(lián)軸器用在伺服傳動中，但近來由于其高扭矩承受力、剛性和無背隙性能，小規(guī)格的鋁制剛性聯(lián)軸器日益多的應(yīng)用在運動控制領(lǐng)域中。

 總結(jié)

選擇適合的伺服聯(lián)軸器是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，會很大影響到系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)。基于此原因，在設(shè)計過程中應(yīng)盡早地考慮聯(lián)軸器，并把分別把各種聯(lián)軸器的和系統(tǒng)的功能目標(biāo)排列對照，這樣可以避免在運動控制的實際運用中經(jīng)常產(chǎn)生的問題。我們討論的上述每種聯(lián)軸器都有其各自的特點，使其可適用于各種不同的應(yīng)用中。但是，單一品種的聯(lián)軸器不能適應(yīng)于每種應(yīng)用領(lǐng)域中。這使得目前市場上有各種品種的聯(lián)軸器，給設(shè)計工程師選擇最適合的聯(lián)軸器使系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)化且使用壽命長