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联轴器的新技术动向

 
作者:三木普利株式会社 泽山龙仁来源:MM《现代制造》
 
最近联轴器被越来越多地应用在机床和半导体制造机械等通过伺服系统控制的精密机械上。在这些领域里,和一般的制造机械不同的是,必须要求其输出相对于输入具有很高的追随性。

联轴器是连接机械系统的驱动轴和从动轴,用于传递动力的机械要素,几乎所有的制造机械都使用。它的基本作用是吸收两轴的偏心、偏角和轴向位移误差,顺利地传递动力。

根据使用目的,联轴器的种类也多种多样。近年由于伺服马达的急速发展,适应高速和高精度控制的需求越来越被强调。尤其在运动控制方面极具代表性。用于高性能机械装置上的联轴器以金属联轴器为主,如金属板簧式(又称金属膜片型,本文以下均称为金属板簧式)和螺旋弹簧型。由于联轴器的滞后损失和背隙对机械系统的应答性和定位精度的影响非常大,因此在使用上须十分注意。

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联轴器的种类

一般联轴器分弹性和补偿两大类,即弹性联轴器和补偿联轴器。弹性联轴器是利用挠性材料的变形来吸收轴心误差,如波纹管型、金属板簧型、螺旋弹簧型、十字平行切缝型以及橡胶/树脂型等。金属类联轴器大多无背隙且扭转刚性强。补偿联轴器是通过联轴器部件间的间隙和滑动来吸收轴心误差的,具代表性的如欧氏联轴器和十字销型联轴器等。由于滑动部会发生背隙,一般在高精度定位控制上,其性能表现是有局限的。

联轴器的特性
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当马达轴旋转,并对机械系统加了一定的扭矩时,如果被驱动部件没有运转,马达的输出(转角和扭矩)被伺服系统的弹性所吸收,从马达轴的角度来说这种现象就称为空转。联轴器的空转由扭转刚性所决定,刚性越强空转越小。扭转刚性由部件的挠性材料和固定插轴的毂的刚性所决定。

1.扭转特性

联轴器的扭转弹性常数是表示扭转方向上刚性大小的数值。根据不同种类的联轴器,其数值也有很大不同。

静扭转特性和动扭转特性在金属联轴器上几乎没有差别。但是在橡胶/树脂型联轴器上是有差别的,如应用在较易受静扭转特性影响的伺服马达上时,必须注意。

图1和图2表示橡胶/树脂型联轴器的扭转弹性常数和hysteresis的测定结果。从图中可以知道橡胶/树脂型联轴器(图1)的滞后闭环曲线的面积和相对于纵坐标的倾斜度均比金属板簧式联轴器(图2)大。也就是说橡胶/树脂型联轴器的滞后损失(正逆转回归原位置误差)大,且扭转弹性常数小,其对高精度运动控制的不良影响令人担心。

从图中还可知道,和橡胶/树脂型联轴器相比,金属板簧式联轴器的滞后损失小,且旋转传递误差极小,非常适用于高精度运动控制。

2.背隙

联轴器的背隙是指在传递扭矩时,由于联轴器部件间存在有间隙而造成传递扭矩为零的现象。金属板簧式和螺旋弹簧型的联轴器不存在背隙。

欧氏及十字销等补偿型联轴器,因滑动部件存在间隙而一定存在背隙。图3和图4所表示的是十字销联轴器在额定扭矩下进行耐久试验前后所测出的迟滞曲线。

可以从中了解到耐久试验前后的迟滞曲线发生了很大的变化,背隙量也随使用时间的增加而增加。因此,在使用部件间有滑动或部件相嵌合的联轴器时,必须注意背隙引起的性能低劣化。

 

高性能联轴器

最近联轴器被越来越多地应用在机床和半导体制造机械等通过伺服系统控制的精密机械上。在这些领域里,和一般的制造机械不同的是,必须要求其输出相对于输入具有很高的追随性。

特别是在要求高频率正逆转,高精度定位以及20 000r/min以上的高速旋转的工作机床上使用时,联轴器除了本身必须具备高刚性外,还必须具有能耐受反复扭转负载的高弹性疲劳限度的能力,以适应高速运转。因此,除了联轴器本来必须的高刚性、低惯和无背隙等特点以外,为了提高其耐受能力,选材也可以说是极为重要的一环。

可以预见,今后随着驱动系统的进步,对包括联轴器在内的机械系统的要求会越来越高。

过去,人们只是将联轴器作为一个机械部件来考虑,但是,随着使用联轴器的机械装置本身用途的多样化,为达到更高的性能,对于联轴器的认识,已经从一个单纯的机械部件转变为能左右整个机械系统性能的重要的机械要素。

因此,光靠联轴器厂家独自的产品开发来满足用户的要求也变得越来越困难。现在,用户和厂家联手合作,共同开发符合机械系统要求的联轴器已经成为一种趋势。
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