在數控機床、精密雕刻機、銑床和自動化設備的機械手等這類的直線傳動系統中,系統要求每個運動元件運轉平穩,沒有振動,且定位準確。在設計這類的傳動系統時,工程師會對系統中的每個零件-伺服電機、滾珠絲杠、主軸、設備,軸承、聯軸器,進行相關的分析、計算、校核。以保證整個傳動系統的剛度,避免運轉過程中的振動,使之運轉平穩,精確定位。一般情況下,由于螺旋形的聯軸器的扭轉剛度是梅花聯軸器的5-6倍,工程師在設備設計中擔心梅花聯軸器有彈性變形,不能保證精度,更傾向于選擇螺旋管聯軸器,我們通過下面相關的對比計算,改變了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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