同步帶傳動在大型電子專用設(shè)備中的應(yīng)用研究

李慶亮，王起飛，王 敏

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

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同步帶傳動在大型電子專用設(shè)備中的應(yīng)用研究

李慶亮，王起飛，王 敏

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

摘要：分析了4種常用同步傳動解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)傳動的載荷、距離、速度、定位精度及性價比等因素，最終決定采用同步帶傳動；使用圖表和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，確定同步帶傳動設(shè)計(jì)功率、同步帶型號、帶輪齒數(shù)、帶的節(jié)線長、帶寬等要素。為克服同步帶傳動精度偏差較大的缺點(diǎn)，提出精確定位的設(shè)計(jì)方法。最后，總結(jié)設(shè)計(jì)結(jié)論，展望同步帶傳動的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：同步帶；電子專用設(shè)備；偏光片

偏光片是LCD面板關(guān)鍵的上游原材料，能使不具偏極性的自然光產(chǎn)生偏極化，轉(zhuǎn)變成偏極光，利用液晶分子的扭轉(zhuǎn)特性，達(dá)到控制光線透過液晶面板透光率和提高視覺范圍的作用［1］。旋轉(zhuǎn)輸送機(jī)是偏光片生產(chǎn)線中關(guān)鍵的大型電子專用設(shè)備；它采用同步帶傳動方式，解決大尺寸偏光片的長距離精密輸送的問題。本文從傳動方案確定、同步帶傳動選型設(shè)計(jì)、應(yīng)用效果及研究展望這幾個方面展開論述。

1　傳動方案確定

旋轉(zhuǎn)輸送機(jī)輸送部件質(zhì)量為300 kg，在滾珠直線導(dǎo)軌副上做往復(fù)運(yùn)動，有效傳輸距離4.2 m，輸送重復(fù)定位精度±0.5 mm，最高速度2 m/s，每日連續(xù)使用20～24 h。電子專用設(shè)備常用以下4種傳動解決方案。

1.1直線電機(jī)傳動方案

行程在理論上不受限制、速度范圍寬、精度和重復(fù)精度高。能達(dá)到設(shè)備的技術(shù)要求，但價格較高，還需配置光柵或磁柵等檢測元件。

1.2滾珠絲杠傳動方案

傳動效率高，可達(dá)90%～98%；運(yùn)動平穩(wěn)；精度高。但不適合跨長距水平傳動，跨距大了要考慮極限轉(zhuǎn)速和自重下垂變形。

1.3齒輪齒條傳動方案

承載力大，傳動精度較高，行程不受限制，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度高，可達(dá)2 m/s以上。但是高速時傳動噪音大；加工、裝配要求高，使用中磨損大且成本較高。

1.4同步帶傳動方案

具有恒定的傳動比，傳動準(zhǔn)確，工作時無滑移；傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；傳動效率高，一般可達(dá)98%［2］；速度范圍寬，最高線速度可達(dá)50 m/s；功率范圍寬，可從幾瓦到幾百千瓦；可用于長距離傳輸，中心距可達(dá)10 m以上；造價低廉，無需潤滑，維護(hù)方便［3］。但節(jié)線長精度較低，正反轉(zhuǎn)存在緊邊松邊現(xiàn)象，不適合應(yīng)用于特別高精度傳動的場合；易發(fā)塵，不適合應(yīng)用于高潔凈廠房。

綜合考慮傳動的載荷、傳輸距離、傳動速度、傳動精度及性價比等因素，同步帶傳動是最佳傳動方案。

2　同步帶傳動設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

在正常工作條件下，同步帶的主要失效形式是在變拉力作用下的疲勞斷裂，所以根據(jù)抗拉強(qiáng)度作為同步帶的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2.2設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

同步帶傳動部件原理見圖1，主要由交流伺服電機(jī)、減速機(jī)、兩條等長的并聯(lián)同步帶構(gòu)成，驅(qū)動300 kg的輸送部件在滾動直線導(dǎo)軌副上做往復(fù)運(yùn)動。通過設(shè)計(jì)計(jì)算，電機(jī)額定功率為5 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，減速機(jī)減速比為1∶8。

圖1　同步帶傳動部件原理圖

2.2.1確定同步帶傳動的設(shè)計(jì)功率（Pd）

同步帶為兩條等長并聯(lián)安裝，為了提高安全系數(shù)，考慮伺服電機(jī)啟停的瞬時最大扭矩可達(dá)額定扭矩3倍，可將功率公式Pd=KA·P，修正為Pd= 3 KA·P/2，

式中：KA為載荷修正系數(shù)，由《載荷修正系數(shù)KA（GB/T11362-1989，JB/T7512.3-1994）》［4］查得KA=1.9，P為傳遞的功率，按電機(jī)額定功率5 kW計(jì)算，算得Pd=14.25 kW

2.2.2確定同步帶型號和節(jié)距

根據(jù)齒型不同，同步齒型帶可分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶。梯形齒同步帶應(yīng)力集中在齒根部位，易疲勞破壞；當(dāng)帶輪直徑較小時，梯形齒的變形易與帶輪干涉，產(chǎn)生噪聲與振動。因此，梯形齒同步帶一般僅用在轉(zhuǎn)速不高的運(yùn)動傳動或小功率傳動的工況。圓弧齒同步帶，帶齒受載后應(yīng)力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應(yīng)力集中，提高了齒的承載能力，且能防止嚙合過程中齒的干涉，傳動平穩(wěn)，噪音小，常用于高速和較大載荷的同步帶傳動。所以，此處選用圓弧齒同步帶。

目前，同步帶設(shè)計(jì)通常采用選型圖來確定同步帶型號。此處電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=3000 r/min，減速比1：8，小帶輪轉(zhuǎn)速為：n1=n/8=375 r/min。從《圓弧齒同步帶選型圖（摘自JB/T7512.3-1994）》［4］查找Pd—n1交叉點(diǎn)在8M的區(qū)域。區(qū)域標(biāo)明的節(jié)距代號即為該傳動較適宜的帶型。

綜合考慮選用耐磨和受力變形小等因素，選用8M型鋼絲芯聚氨酯同步帶。

2.2.3確定帶輪齒數(shù)及帶的節(jié)線長

（1）確定帶輪齒數(shù)。依據(jù)疲勞壽命理論，帶輪轉(zhuǎn)速越高，則同步帶在單位時間內(nèi)繞過帶輪的次數(shù)越多；帶輪齒數(shù)減少，帶輪直徑就變小，則使同步帶受彎曲應(yīng)力就增大；所以，疲勞壽命就變短。反之，疲勞壽命變長。此處帶輪最高轉(zhuǎn)速375 r/min，由《最少齒數(shù)Zmin（摘自JB/T7512.2-1994）》［4］查得帶輪的最小齒數(shù)是22個；考慮增加齒數(shù)可以減小彎曲應(yīng)力，延長疲勞壽命，結(jié)合同步帶最高轉(zhuǎn)速要求，確定主、從動同步帶輪傳動比i=1，齒數(shù)Z1=Z2=64。

（2）確定帶輪節(jié)圓直徑。帶輪齒數(shù)和節(jié)距確定后，可根據(jù)公式d=PbZ/π求得帶輪的節(jié)圓直徑，式中Pb為同步帶節(jié)距，8M同步帶節(jié)距Pb=8 mm。算得帶輪節(jié)圓直徑：d1=d2=163.1 mm。

（3）確定中心距。依據(jù)設(shè)備要求，有效傳輸距離4 200 mm，同步帶的夾持部件長度為140 mm，算得理論中心矩為4 340 mm。為安全起見，兩邊各留180 mm安全距離，確定中心距a=4700 mm。

（4）確定同步帶節(jié)線長和齒數(shù)。帶的節(jié)線長可根據(jù)帶圍繞兩帶輪的線長來計(jì)算，可由下式求得：

式中：Lp為帶的節(jié)線長，a為兩輪中心距，

同步帶齒數(shù)Zb=Lp/Pb=1239 mm。

此處屬于往復(fù)運(yùn)動，同步帶夾持部件不越過主、從動帶輪，故采用任意齒數(shù)均有市場供應(yīng)的開口帶。

2.2.4確定同步帶帶寬

在國標(biāo)GB/T 11362-2008中，提出了帶寬為基準(zhǔn)寬度的基準(zhǔn)額定功率計(jì)算公式：

式中：Ta為同步帶的許用拉力，由表1查得Ta=7210 N

m為同步帶的單位長度質(zhì)量，預(yù)選帶寬b= 50 mm，由表3查得m=0.36 kg/m

代入上式算得P0=15.4＞Pd=14.25 kW額定功率大于設(shè)計(jì)功率，則同步帶的傳動能力已足夠，帶寬b=50 mm符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.5同步帶傳動精度設(shè)計(jì)

表1　8M聚氨酯同步帶參數(shù)

（1）同步帶傳動精度標(biāo)準(zhǔn)。JB/T 7512.1-1994規(guī)定了圓弧齒同步帶的精度標(biāo)準(zhǔn)，《節(jié)限長度極限偏差》［4］中給出的最大節(jié)線長6 858 mm的中心矩極限偏差±0.97 mm，節(jié)線長極限偏差±1.94 mm。可見，同步帶自身定位精度可能無法保證設(shè)備重復(fù)定位精度±0.5 mm的要求。但是在同步帶充分張緊的情況下，重復(fù)定位精度較高，可達(dá)到±0.04 mm，且偏差穩(wěn)定，通過電氣軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行精度補(bǔ)償就能達(dá)到要求的傳動精度。

（2）帶輪張緊設(shè)計(jì)。根據(jù)整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，考慮調(diào)整的便宜性，把從動輪安裝座設(shè)計(jì)為沿傳送方向可調(diào)，張緊螺栓頂緊從動輪安裝座，然后用螺釘緊固從動輪安裝座，實(shí)現(xiàn)同步帶充分張緊。張緊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

（3）精度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。由于同步帶傳動自身精度

圖2　張緊結(jié)構(gòu)示意圖

引起的傳動距離偏差，可以采取電氣軟件補(bǔ)償?shù)姆绞较齻鲃悠?。通過設(shè)置合理的電子齒輪比，可使脈沖當(dāng)量達(dá)到0.01 mm，偏差補(bǔ)償精度也是0.01 mm，完全能滿足±0.5 mm的重復(fù)定位精度。

2.2.6結(jié)果

選用8M的鋼絲芯聚氨酯同步帶，帶寬b= 50 mm，齒數(shù)Zb=1 239，節(jié)線長Lp=9912 mm；帶輪齒數(shù)Z1=Z2=64，帶輪直徑d1=d2=163.1 mm；中心距：a=4.7 m。

3　結(jié)束語

同步帶傳動參數(shù)設(shè)置：加減速時間t=500 ms，速度v=2 m/s，行程設(shè)置s1=3800 mm，s2=4 000 mm，s3=4 200 mm。

觀測結(jié)果：啟停平穩(wěn)，振動和噪音不大；多次測量輸送定位精度求平均值s1=3 800.7 mm，s2= 4 000.8 mm，s3=4 200.8 mm。電氣軟件補(bǔ)償后，定位精度s1=3 800 mm±0.05 mm，s2=4 000±0.05 mm， s1=4 200 mm±0.05 mm。符合旋轉(zhuǎn)輸送機(jī)輸送部件的設(shè)計(jì)要求。

隨著智能制造的推進(jìn)和電子專用設(shè)備發(fā)展，同步帶傳動會在電子產(chǎn)品生產(chǎn)線的物料傳輸和產(chǎn)品搬運(yùn)環(huán)節(jié)應(yīng)用越來越普遍，新材料和新結(jié)構(gòu)在同步帶傳動上的應(yīng)用會成為新的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 朗新星，姜慧慧，洛春.偏光片除泡工藝［J］.電子工藝，2010，31（4）：230-233.

［2］ 莊工.同步帶傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算和使用［J］.機(jī)械制造，1989，40（12）：9-12.

［3］ 劉偉.同步帶選型中的問題分析［J］.科技信息，2012，29（19）：72-98.

［4］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

中圖分類號：TN605

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-4507（2016）07-0029-04

作者簡介：

李慶亮（1980-），男，本科，工程師，主要從事電子專用設(shè)備的研發(fā)工作。

收稿日期：2016-05-11

Research of Synchronous Belt Drive on Big Electronic Production Equipment

LI Qingliang，WANG Qifei，WANG Min

（The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

Abstract：This paper analyses the advantages and disadvantages of four common solutions，and eventually decided to adopt synchronous belt drive according transmission load，distance，speed，positioning accuracy and performance-price ratio，etc；It concludes design power，model number of the belt，tooth number of the pulleys，pitch length and the belt width by using chats and design calculations，and provides the methods of precise localization for the belt drive in order to overcome larger transmission accuracy deviation.At the end，it summarizes design conclusions，and prospects the application of the synchronous belt.

Keywords：Synchronous belt；Electronic production equipment；Polarizer