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既能精确定位又能减振的联轴器

 

  摘要:机床的精确定位要求传动必须有扭向的刚度,亦意味着必须采用刚性联轴器,但绝大多数的刚性联轴器又往往不能减振。现在向大家介绍一种既有刚性又能减振的联轴器。
   关键词:联轴器;定位;减振联轴器的新技术动向

  当今的直线传动,如CNC机床、激光切割机、铣床和机械手等均要求既定位精确,同时操作时无振动、运转平稳。在设计时,设计师会逐一选择优质的元件——电机、滚珠丝杠、主轴、工作台和轴承、联轴器,并校核每个元件,确保整个传动系统有相当的刚度,以达到精确定位的要求。设计师可能选择螺旋形或波纹管联轴器,因为其扭向刚度是爪型联轴器的5~6倍,而担心爪型联轴器有弹性变形,不能保证精度。下面的对比计算可以消除人们对此的顾虑,爪形联轴器的刚度对于整个系统的影响远远小于“5~6”倍的概念。
   整个传动系统还要求消除振动,振动可能造成定位的偏差,破坏工件的表面。在这种情况下,采用中间弹性体的爪形联轴器,可减少振动,在刚度和减振中达到一个完美的平衡点。
   爪型联轴器国内通常称为“梅花型联轴器”。由两个全等铝制或钢制的爪形轴套,在圆周方向上相互错开半个齿距,其间装有一个预应力的渐开线梅花形弹性体,见图1。弹性体内的预应力可保证正、反向传动无齿隙,定位精确。同时,梅花型弹性体可以吸收传动中产生的振动。爪型联轴器(Rotex GS)中的弹性体可以减震,同时这种扭向刚性联轴器保证精确的定位。

1 传动刚度的计算

  下面比较两种联轴器在传动系统中的扭向刚度:金属波纹管联轴器和爪形联轴器,内径均为32mm。
   机床的传动系统包括伺服电机,直线运动机构,如:滚珠丝杠(由固定轴承、球形主轴、主轴螺母和滑动轴承组成),传动参数如下:

伺服电机的扭向刚度 Cm=90,000Nm/rad
爪形联轴器的扭向刚度 Cj=21,000Nm/rad
波纹管联轴器的扭向刚度 Cb=116,000Nm/rad
主轴键高 h=10mm
球形主轴根部直径 d=28.5mm
主轴长度 L=800mm
固定轴承的轴向刚度 Rbrg=750N/μm
主轴螺母轴向刚度 Rn=1060N/μm
减速比 i=1
直线传动的刚度 Cf=165

  第一步:计算传动系统轴向刚度,然后转换成扭向刚度。主轴的轴向刚度:
  
   滚珠丝杠(主轴、轴承、螺母)总的轴向刚度:
  
   将轴向刚度转换成扭向刚度:
  
   第二步:计算爪形联轴器或波纹管联轴器时传动系统的刚度:爪形联轴器总的刚度
  
   带配波纹管联轴器总的刚度:
  
   通过以上计算比较,我们可以看出在两种不同系统中,总的刚度值仅差1.28%,远小于两种联轴器刚度5~6倍的差异。
   在许多应用场合中,设计师为达到消除在通常刚性传动中令人头痛的振动难题,宁可牺牲1~2%的扭向刚度。通过上述比较计算,选择采用爪形联轴器可轻易地达到这个目的。
2 在直线运动中的应用

  PHD公司是一家著名的生产液压、气动、自动化设备的厂家,生产系列切向皮带滑动装置,主要用于直线性多工位定位。这些装置在应用中通常由伺服电机或步进电机驱动。在过去,皮带滑动装置,通常在电机和皮带滑轮之间采用单体式螺旋型联轴器,然而由于伺服电机和螺旋型联轴器配合会产生共振的问题,PHD公司只好寻找别的联轴器。但是皮带滑动装置内的空间十分有限,因此许多联轴器无法选用。

  PHD最终选择了ROTEX-GS系列的联轴器,这种联轴器具有的优点是螺旋联轴器所没有的。这种爪型联轴器的主要优点是在减振特性方面的改变,足以使系统的自然频率偏离与一般联轴器所困扰的共振频率。PHD的工程师还列举了其它许多优点,包括正反向传动无间隙、一对固定螺丝消除轴向滑动、更长的寿命等。另外,这种联轴器的中间弹性体有不同的硬度供选择,以适合不同角向和轴向的位移。

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