既能精確定位又能減振的聯軸器

 

  摘要:機床的精確定位要求傳動必須有扭向的剛度,亦意味著必須采用剛性聯軸器,但絕大多數的剛性聯軸器又往往不能減振,F在向大家介紹一種既有剛性又能減振的聯軸器。
   關鍵詞:聯軸器;定位;減振聯軸器的新技術動向

  當今的直線傳動,如CNC機床、激光切割機、銑床和機械手等均要求既定位精確,同時操作時無振動、運轉平穩。在設計時,設計師會逐一選擇優質的元件——電機、滾珠絲杠、主軸、工作臺和軸承、聯軸器,并校核每個元件,確保整個傳動系統有相當的剛度,以達到精確定位的要求。設計師可能選擇螺旋形或波紋管聯軸器,因為其扭向剛度是爪型聯軸器的5~6倍,而擔心爪型聯軸器有彈性變形,不能保證精度。下面的對比計算可以消除人們對此的顧慮,爪形聯軸器的剛度對于整個系統的影響遠遠小于“5~6”倍的概念。
   整個傳動系統還要求消除振動,振動可能造成定位的偏差,破壞工件的表面。在這種情況下,采用中間彈性體的爪形聯軸器,可減少振動,在剛度和減振中達到一個完美的平衡點。
   爪型聯軸器國內通常稱為“梅花型聯軸器”。由兩個全等鋁制或鋼制的爪形軸套,在圓周方向上相互錯開半個齒距,其間裝有一個預應力的漸開線梅花形彈性體,見圖1。彈性體內的預應力可保證正、反向傳動無齒隙,定位精確。同時,梅花型彈性體可以吸收傳動中產生的振動。爪型聯軸器(Rotex GS)中的彈性體可以減震,同時這種扭向剛性聯軸器保證精確的定位。

1 傳動剛度的計算

  下面比較兩種聯軸器在傳動系統中的扭向剛度:金屬波紋管聯軸器和爪形聯軸器,內徑均為32mm。
   機床的傳動系統包括伺服電機,直線運動機構,如:滾珠絲杠(由固定軸承、球形主軸、主軸螺母和滑動軸承組成),傳動參數如下:

伺服電機的扭向剛度 Cm=90,000Nm/rad
爪形聯軸器的扭向剛度 Cj=21,000Nm/rad
波紋管聯軸器的扭向剛度 Cb=116,000Nm/rad
主軸鍵高 h=10mm
球形主軸根部直徑 d=28.5mm
主軸長度 L=800mm
固定軸承的軸向剛度 Rbrg=750N/μm
主軸螺母軸向剛度 Rn=1060N/μm
減速比 i=1
直線傳動的剛度 Cf=165

  第一步:計算傳動系統軸向剛度,然后轉換成扭向剛度。主軸的軸向剛度:
  
   滾珠絲杠(主軸、軸承、螺母)總的軸向剛度:
  
   將軸向剛度轉換成扭向剛度:
  
   第二步:計算爪形聯軸器或波紋管聯軸器時傳動系統的剛度:爪形聯軸器總的剛度
  
   帶配波紋管聯軸器總的剛度:
  
   通過以上計算比較,我們可以看出在兩種不同系統中,總的剛度值僅差1.28%,遠小于兩種聯軸器剛度5~6倍的差異。
   在許多應用場合中,設計師為達到消除在通常剛性傳動中令人頭痛的振動難題,寧可犧牲1~2%的扭向剛度。通過上述比較計算,選擇采用爪形聯軸器可輕易地達到這個目的。
2 在直線運動中的應用

  PHD公司是一家著名的生產液壓、氣動、自動化設備的廠家,生產系列切向皮帶滑動裝置,主要用于直線性多工位定位。這些裝置在應用中通常由伺服電機或步進電機驅動。在過去,皮帶滑動裝置,通常在電機和皮帶滑輪之間采用單體式螺旋型聯軸器,然而由于伺服電機和螺旋型聯軸器配合會產生共振的問題,PHD公司只好尋找別的聯軸器。但是皮帶滑動裝置內的空間十分有限,因此許多聯軸器無法選用。

  PHD最終選擇了ROTEX-GS系列的聯軸器,這種聯軸器具有的優點是螺旋聯軸器所沒有的。這種爪型聯軸器的主要優點是在減振特性方面的改變,足以使系統的自然頻率偏離與一般聯軸器所困擾的共振頻率。PHD的工程師還列舉了其它許多優點,包括正反向傳動無間隙、一對固定螺絲消除軸向滑動、更長的壽命等。另外,這種聯軸器的中間彈性體有不同的硬度供選擇,以適合不同角向和軸向的位移。

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