既能精確定位又能減振的聯(lián)軸器
摘要：機(jī)床的精確定位要求傳動(dòng)必須有扭向的剛度，亦意味著必須采用剛性聯(lián)軸器，但絕大多數(shù)的剛性聯(lián)軸器又往往不能減振。現(xiàn)在向大家介紹一種既有剛性又能減振的聯(lián)軸器。
關(guān)鍵詞：聯(lián)軸器；定位；減振聯(lián)軸器的新技術(shù)動(dòng)向
當(dāng)今的直線傳動(dòng)，如CNC機(jī)床、激光切割機(jī)、銑床和機(jī)械手等均要求既定位精確，同時(shí)操作時(shí)無振動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師會(huì)逐一選擇優(yōu)質(zhì)的元件——電機(jī)、滾珠絲杠、主軸、工作臺(tái)和軸承、聯(lián)軸器，并校核每個(gè)元件，確保整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)有相當(dāng)?shù)膭偠龋赃_(dá)到精確定位的要求。設(shè)計(jì)師可能選擇螺旋形或波紋管聯(lián)軸器，因?yàn)槠渑は騽偠仁亲π吐?lián)軸器的5～6倍，而擔(dān)心爪型聯(lián)軸器有彈性變形，不能保證精度。下面的對(duì)比計(jì)算可以消除人們對(duì)此的顧慮，爪形聯(lián)軸器的剛度對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于“5～6”倍的概念。
整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)還要求消除振動(dòng)，振動(dòng)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(lián)軸器，可減少振動(dòng)，在剛度和減振中達(dá)到一個(gè)完美的平衡點(diǎn)。
爪型聯(lián)軸器國(guó)內(nèi)通常稱為“梅花型聯(lián)軸器”。由兩個(gè)全等鋁制或鋼制的爪形軸套，在圓周方向上相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，其間裝有一個(gè)預(yù)應(yīng)力的漸開線梅花形彈性體，見圖1。彈性體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力可保證正、反向傳動(dòng)無齒隙，定位精確。同時(shí)，梅花型彈性體可以吸收傳動(dòng)中產(chǎn)生的振動(dòng)。爪型聯(lián)軸器(Rotex GS)中的彈性體可以減震，同時(shí)這種扭向剛性聯(lián)軸器保證精確的定位。
1 傳動(dòng)剛度的計(jì)算
下面比較兩種聯(lián)軸器在傳動(dòng)系統(tǒng)中的扭向剛度：金屬波紋管聯(lián)軸器和爪形聯(lián)軸器，內(nèi)徑均為32mm。
機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)包括伺服電機(jī)，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如：滾珠絲杠(由固定軸承、球形主軸、主軸螺母和滑動(dòng)軸承組成)，傳動(dòng)參數(shù)如下：
伺服電機(jī)的扭向剛度 Cm=90,000Nm/rad
爪形聯(lián)軸器的扭向剛度 Cj=21,000Nm/rad
波紋管聯(lián)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(zhǎng)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(dòng)的剛度 Cf=165
第一步：計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)軸向剛度，然后轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成扭向剛度：
第二步：計(jì)算爪形聯(lián)軸器或波紋管聯(lián)軸器時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度：爪形聯(lián)軸器總的剛度
帶配波紋管聯(lián)軸器總的剛度：
通過以上計(jì)算比較，我們可以看出在兩種不同系統(tǒng)中，總的剛度值僅差1.28%，遠(yuǎn)小于兩種聯(lián)軸器剛度5～6倍的差異。
在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，設(shè)計(jì)師為達(dá)到消除在通常剛性傳動(dòng)中令人頭痛的振動(dòng)難題，寧可犧牲1～2%的扭向剛度。通過上述比較計(jì)算，選擇采用爪形聯(lián)軸器可輕易地達(dá)到這個(gè)目的。
2 在直線運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用
PHD公司是一家著名的生產(chǎn)液壓、氣動(dòng)、自動(dòng)化設(shè)備的廠家，生產(chǎn)系列切向皮帶滑動(dòng)裝置，主要用于直線性多工位定位。這些裝置在應(yīng)用中通常由伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在過去，皮帶滑動(dòng)裝置，通常在電機(jī)和皮帶滑輪之間采用單體式螺旋型聯(lián)軸器，然而由于伺服電機(jī)和螺旋型聯(lián)軸器配合會(huì)產(chǎn)生共振的問題，PHD公司只好尋找別的聯(lián)軸器。但是皮帶滑動(dòng)裝置內(nèi)的空間十分有限，因此許多聯(lián)軸器無法選用。
PHD最終選擇了ROTEX-GS系列的聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器具有的優(yōu)點(diǎn)是螺旋聯(lián)軸器所沒有的。這種爪型聯(lián)軸器的主要優(yōu)點(diǎn)是在減振特性方面的改變，足以使系統(tǒng)的自然頻率偏離與一般聯(lián)軸器所困擾的共振頻率。PHD的工程師還列舉了其它許多優(yōu)點(diǎn)，包括正反向傳動(dòng)無間隙、一對(duì)固定螺絲消除軸向滑動(dòng)、更長(zhǎng)的壽命等。另外，這種聯(lián)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。