金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃楠

摘要：聯(lián)軸器是軸與軸之間傳遞扭矩的重要部件，廣泛應(yīng)用于與電機(jī)、減速機(jī)的連接中。聯(lián)軸器既要滿足伺服電機(jī)高速、高精度定位，實(shí)現(xiàn)超精密控制的要求，同時(shí)要具備一定撓性以克服軸向、徑向以及角度偏差。選擇合適的聯(lián)軸器以及正確的安裝方式對(duì)于提高機(jī)械設(shè)備的品質(zhì)及延長(zhǎng)機(jī)械壽命具有重要作用。

關(guān)鍵詞：伺服彈性聯(lián)軸器；金屬板簧聯(lián)軸器；膜片聯(lián)軸器；同軸度；扭轉(zhuǎn)剛性

1 引言

機(jī)械設(shè)備在傳遞扭矩時(shí)，若要求兩軸在同一直線上等速運(yùn)行的話，就會(huì)需要用到聯(lián)軸器。而在加工精度、軸受熱膨脹，以及軸受外力而彎曲等因素的影響下，兩軸的同軸度會(huì)發(fā)生變化。只追求聯(lián)軸器在高剛性、大扭矩且高同軸度的性能要求，往往無(wú)法克服上述兩軸同軸度變化的影響。在大部分機(jī)械設(shè)備的扭矩傳遞中，需要兼顧高速、高精、高應(yīng)答性和兩軸同軸度的變化帶來(lái)的誤差。為了滿足上述條件下的扭矩傳遞，就需要使用彈性聯(lián)軸器當(dāng)作橋梁來(lái)維持兩軸間的動(dòng)力傳達(dá)，以實(shí)現(xiàn)吸收兩軸間徑向、軸向以及角度誤差，進(jìn)而提高機(jī)械品質(zhì)以及延長(zhǎng)機(jī)械壽命。

聯(lián)軸器使用過(guò)程中存在的軸心誤差有三種，即偏心、偏角和軸向位移。偏心又稱徑向誤差、平行誤差和軸心徑向位移，是指兩軸軸心之間的偏差，可用同心度來(lái)表示；偏角又稱角度誤差，是指聯(lián)軸器兩端軸線不平行而產(chǎn)生的角度偏差，可用兩軸軸線的不平行度來(lái)表示；軸向位移又稱軸向間距、斷面間隙，是指兩軸端面之間的距離。

聯(lián)軸器具有一定補(bǔ)償兩軸安裝誤差以及緩沖減震的作用，但其主要功能是傳遞扭矩，若兩軸偏差過(guò)大會(huì)造成聯(lián)軸器動(dòng)力傳遞不暢，同時(shí)導(dǎo)致兩軸承受額外的扭力，產(chǎn)生噪音和過(guò)熱現(xiàn)象，降低設(shè)備壽命，甚至造成軸端斷裂的事故。而不同類別的聯(lián)軸器在吸收誤差范圍上也有很大區(qū)別，高剛性、高精度和高應(yīng)答性的性能要求與吸收誤差、緩沖減震的需求應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境予以權(quán)衡。

2 伺服彈性聯(lián)軸器的特點(diǎn)

聯(lián)軸器種類繁多，大致分為剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器和扭力限制器三大類。其中，撓性聯(lián)軸器在數(shù)控機(jī)床、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、半導(dǎo)體制造裝置及各類自動(dòng)化設(shè)備上應(yīng)用廣泛。而撓性聯(lián)軸器又分為無(wú)彈性元件撓性聯(lián)軸器（如齒式聯(lián)軸器、十字滑塊聯(lián)軸器和萬(wàn)向聯(lián)軸器等）、金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器（如螺旋切槽聯(lián)軸器、波紋管聯(lián)軸器、金屬板簧類聯(lián)軸器或稱膜片式聯(lián)軸器等）和非金屬元件撓性聯(lián)軸器（如梅花墊聯(lián)軸器、輪胎式聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器或稱十字銷連接聯(lián)軸器等）。上述后兩類聯(lián)軸器在與伺服電機(jī)、減速機(jī)的連接中較為常見(jiàn)。廣義上講，應(yīng)用于伺服電機(jī)的連接中的撓性聯(lián)軸器均可統(tǒng)稱為伺服彈性聯(lián)軸器，包括：金屬板簧式（膜片型）、橡膠樹(shù)脂式（梅花墊型）、波紋管式、螺旋切槽式、銷軸襯式（十字銷連接型）和十字滑塊式等。而本文探討的伺服彈性聯(lián)軸器是指專門針對(duì)伺服電機(jī)的安裝開(kāi)發(fā)的超高剛性金屬板簧類聯(lián)軸器，該類聯(lián)軸器又根據(jù)輸出扭矩范圍、扭轉(zhuǎn)彈性要求等區(qū)分為高強(qiáng)度鎂鋁合金為夾緊套主體的輕量型聯(lián)軸器，以及以碳鋼為夾緊套（或脹緊套）主體的大扭矩聯(lián)軸器，前者多應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備中的直線運(yùn)動(dòng)單元，后者多用于數(shù)控機(jī)床的主軸和進(jìn)給軸。

2.1 常見(jiàn)伺服電機(jī)用聯(lián)軸器特點(diǎn)對(duì)比

一體成型剛性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛性極高，結(jié)構(gòu)緊湊，但不具備吸收誤差的功用，由安裝誤差引起的反作用力大。使用該型聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是剛性高，聯(lián)軸器本身同軸度容易達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)，但其缺點(diǎn)也十分明顯，該類聯(lián)軸器不但對(duì)安裝精度要求極高，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)行中由于熱膨脹或外力因素造成兩軸軸心變化后的矯正和吸收。

螺旋切槽聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛性中等，撓性優(yōu)越，由安裝誤差引起的軸反作用力中等，可以吸收較大的安裝誤差，但該類聯(lián)軸器無(wú)法達(dá)到較高水準(zhǔn)的同軸度要求，因此其只適用于輸出扭力較小及精度要求不高的場(chǎng)合。

波紋管聯(lián)軸器在具備較高扭轉(zhuǎn)剛性的同時(shí)撓性佳，可以吸收一定的安裝誤差。但其波紋管與聯(lián)軸器主體之間通過(guò)膠體粘接，連接不穩(wěn)定，且其最大的問(wèn)題是聯(lián)軸器本身的同軸度無(wú)法得到保證，因此不適合高速高精的使用場(chǎng)合。

橡膠樹(shù)脂類聯(lián)軸器比較常見(jiàn)的是梅花墊型聯(lián)軸器，該類聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛性差，撓性佳。因其以橡膠樹(shù)脂類材質(zhì)為中間體，故具備良好的吸振效果，但同時(shí)其中間體易磨損，耐久性差。同時(shí)其本身同軸度也無(wú)法得到保證，該類聯(lián)軸器不適合高速高精度的使用場(chǎng)合。

銷軸襯式聯(lián)軸器（十字銷連接聯(lián)軸器）和十字滑塊聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛性一般，撓性佳，安裝誤差引起的軸反作用力小，但該類聯(lián)軸器會(huì)產(chǎn)生背間隙，同軸度也無(wú)法保證，故不適合高速高精度的場(chǎng)合。

金屬板簧式聯(lián)軸器（膜片式）扭轉(zhuǎn)剛性高、零背隙、低慣量，且能有效阻止熱傳導(dǎo)。該類聯(lián)軸器具有在扭轉(zhuǎn)方向上剛性佳，在彎折方向、階梯方向和軸方向上撓性佳的特性。

2.2 金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器的特性分析

通過(guò)扭轉(zhuǎn)特性、衰減特性、背隙/空轉(zhuǎn)、軸反作用力、容許扭矩、最高旋轉(zhuǎn)數(shù)和耐久性等方面衡量聯(lián)軸器性能。

2.2.1 金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)特性測(cè)試（靜態(tài)）

聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)性要比軸、扭矩計(jì)強(qiáng)，為了消除測(cè)定裝置的被扭轉(zhuǎn)量，以測(cè)量聯(lián)軸器兩端最近位置的扭轉(zhuǎn)位移來(lái)測(cè)定扭轉(zhuǎn)剛性（圖2）。

圖3對(duì)比了常見(jiàn)的三類伺服電機(jī)用彈性聯(lián)軸器的近似規(guī)格扭轉(zhuǎn)特性，金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器選取某品牌LC-A-010SA（外徑19 mm，額定扭矩1 N·m），橡膠樹(shù)脂類聯(lián)軸器選取某品牌梅花墊聯(lián)軸器LC-C-020-R（外徑20 mm，額定扭矩5 N·m），十字銷連接聯(lián)軸器選取某品牌20C（外徑20 mm，額定扭矩1 N·m）。金屬板簧類聯(lián)軸器滯后損耗為0.005 deg，扭轉(zhuǎn)剛性為580 N·m/rad；梅花墊聯(lián)軸器滯后損耗為0.23 deg，扭轉(zhuǎn)剛性為105 N·m/rad；十字銷連接聯(lián)軸器滯后損耗為0.03 deg，扭轉(zhuǎn)剛性為320 N·m/rad。在扭轉(zhuǎn)剛性和滯后損耗兩項(xiàng)數(shù)據(jù)上，金屬板簧類聯(lián)軸器要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于近似規(guī)格的梅花墊聯(lián)軸器和十字銷連接聯(lián)軸器。也就是說(shuō)金屬板簧類聯(lián)軸器在應(yīng)答性和傳遞扭矩的精度上要遠(yuǎn)優(yōu)于上述其他兩類聯(lián)軸器。

除上述三類聯(lián)軸器外，波紋管聯(lián)軸器也是伺服控制系統(tǒng)中的常用聯(lián)軸器。對(duì)比金屬板簧類聯(lián)軸器和波紋管類聯(lián)軸器，兩者在扭轉(zhuǎn)剛性的數(shù)據(jù)上很接近。金屬版黃類聯(lián)軸器選取某品牌LC-A-050DA（外徑56 mm，額定扭矩25 N·m），波紋管類聯(lián)軸器選取某品牌LC-F3-30（外徑55 mm，額定扭矩30 N·m），金屬板簧類聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛性為12 700N·m/rad，波紋管類聯(lián)軸器為12 800 N·m/rad。但在軸反作用力的對(duì)比上，金屬板簧類聯(lián)軸器要?jiǎng)t要遠(yuǎn)優(yōu)于波紋管聯(lián)軸器。

對(duì)比兩者同等負(fù)載下的偏心量，金屬板簧聯(lián)軸器為247 N/mm，波紋管聯(lián)軸器為817 N/mm。也就是說(shuō)金屬板簧聯(lián)軸器自身精度更不易受到外力影響，這在要求高精度、高應(yīng)答性的伺服控制系統(tǒng)中尤為重要。

綜述，金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器相較于橡膠樹(shù)脂類聯(lián)軸器（梅花墊類）、十字銷連接聯(lián)軸器以及波紋管聯(lián)軸器，其扭轉(zhuǎn)特性方面具有不可替代的極大優(yōu)勢(shì)，是伺服控制系統(tǒng)中的首選聯(lián)軸器。

2.2.2 金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器的耐久試驗(yàn)

試驗(yàn)方法為：以一定的扭矩，順時(shí)針逆時(shí)針兩方向往復(fù)少量轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)附加扭矩為聯(lián)軸器的最大容許扭矩，往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為10～30Hz，耐久目標(biāo)為1 000萬(wàn)次。

對(duì)比十字銷連接聯(lián)軸器初期扭轉(zhuǎn)特性和1 000萬(wàn)次回轉(zhuǎn)之后的扭轉(zhuǎn)特性，即使初期背間隙為零，使用后也會(huì)發(fā)生背間隙，原因是十字銷連接聯(lián)軸器的滑動(dòng)部分會(huì)發(fā)生磨耗。橡膠樹(shù)脂類聯(lián)軸器情況與十字銷連接聯(lián)軸器近似，同樣在使用后會(huì)不可避免地發(fā)生背間隙，原因?yàn)橄鹉z樹(shù)脂部受到頻繁壓縮受熱而發(fā)生磨耗。而金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器則不會(huì)發(fā)生破損和磨耗現(xiàn)象，在安裝同軸度得到保證的情況下，其板簧等組件不會(huì)發(fā)生損耗，也不會(huì)有背間隙產(chǎn)生。金屬板簧伺服彈性聯(lián)軸器相較十字銷連接聯(lián)軸器和橡膠樹(shù)脂類聯(lián)軸器，其耐久表現(xiàn)更優(yōu)。

2.2.3 金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器的熱傳導(dǎo)特性對(duì)比

金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器的撓性部件金屬板簧或稱為膜片，其在傳遞扭矩的過(guò)程中可以起到散熱效果，這是其他類別的伺服彈性聯(lián)軸器無(wú)法做到的。如圖4所示，A為伺服電機(jī)本體，B為安裝伺服電機(jī)的法蘭盤部，C為聯(lián)軸器輸出側(cè)。將伺服電機(jī)本體A反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)停止，記錄不同時(shí)間A、B、C三部分的溫升情況。通過(guò)圖4溫升曲線可見(jiàn)當(dāng)伺服電機(jī)本體A的溫度達(dá)到70～75 ℃時(shí)，聯(lián)軸器輸出側(cè)C的溫度保持在25 ℃上下。金屬板簧類聯(lián)軸器良好的熱阻斷特性得益于其金屬板簧在高速旋轉(zhuǎn)中的散熱功能。可見(jiàn)，金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器的熱傳導(dǎo)特性具有其他聯(lián)軸器無(wú)法取代的效果。

2.2.4 金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器與傳動(dòng)部件的配合

滾珠絲杠副作為把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的功能部件，在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。而伺服電機(jī)與滾珠絲杠的連接需要可靠的聯(lián)軸器來(lái)實(shí)現(xiàn)。金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器一般要求其同軸度達(dá)到0.01～0.05 mm，與常用滾珠絲杠副軸端同軸度要求相符。而0.05 mm以上的同軸度要求，是橡膠樹(shù)脂類聯(lián)軸器、十字銷連接聯(lián)軸器以及波紋管聯(lián)軸器等所難以達(dá)到的要求。因此，金屬板簧類聯(lián)軸器更適合應(yīng)用于滾珠絲杠副與伺服電機(jī)的連接中。

3 金屬板簧類聯(lián)軸器的分類

從聯(lián)軸器主體夾緊套材質(zhì)上可分為高強(qiáng)度鋁合金板簧型聯(lián)軸器和碳鋼板簧聯(lián)軸器；從聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上可分為單膜片金屬板簧聯(lián)軸器和雙膜片金屬板簧聯(lián)軸器；從聯(lián)軸器的安裝方式可分為夾緊式、脹緊套式和鍵槽頂絲式聯(lián)軸器。

3.1 高強(qiáng)度鋁合金板簧聯(lián)軸器和碳鋼板簧聯(lián)軸器的應(yīng)用場(chǎng)合

高強(qiáng)度鋁合金板簧聯(lián)軸器其夾緊套主體采用7075或6061高強(qiáng)度鎂鋁合金，具有高剛性、低慣量和無(wú)背隙的優(yōu)點(diǎn)，其聯(lián)軸器本體同軸度可達(dá)到0.01 mm，適合伺服控制系統(tǒng)高速高精的傳動(dòng)要求。一般應(yīng)用于額定扭矩250 N·m以內(nèi)的使用條件下。

碳鋼板簧聯(lián)軸器其夾緊套主體采用45#碳鋼材質(zhì)，具備高傳遞扭矩、高剛性和高可靠性的特點(diǎn)。輔以降噪的外形優(yōu)化設(shè)計(jì)以及動(dòng)平衡處理，可以實(shí)現(xiàn)20 000 轉(zhuǎn)/分以上的轉(zhuǎn)速。一般應(yīng)用于額定扭矩50 N·m以上的應(yīng)用場(chǎng)合。主要使用于數(shù)控機(jī)床的主軸和進(jìn)給軸。

3.2 單膜片板簧聯(lián)軸器和雙摸片板簧聯(lián)軸器的特點(diǎn)

單膜片板簧聯(lián)軸器指只有一組板簧作為撓性部件，沒(méi)有中間體的金屬板簧聯(lián)軸器；雙膜片板簧聯(lián)軸器指有兩組板簧作為撓性部件，兩組板簧之間安裝有中間體的金屬板簧聯(lián)軸器。

雙膜片板簧聯(lián)軸器相較于單膜片板簧聯(lián)軸器，其撓性得到了提高，減少了因安裝誤差帶來(lái)的軸反作用力，也就是說(shuō)雙膜片板簧聯(lián)軸器相較于單膜片板簧聯(lián)軸器，可以承受更大的安裝誤差。比如單膜片板簧聯(lián)軸器的偏心最大容許誤差是0.02 mm，而雙膜片板簧聯(lián)軸器的偏心最大容許誤差是0.05～0.55 mm（規(guī)格越大，其可承受的安裝誤差越大）；單膜片板簧聯(lián)軸器的軸向位移最大容許誤差是±0.05～±0.74 mm，雙膜片板簧聯(lián)軸器的軸向位移最大容許誤差是±0.10～±1.48 mm。

3.3 夾緊式、脹緊套式和鍵槽頂絲式聯(lián)軸器的使用特點(diǎn)

傳統(tǒng)的聯(lián)軸器多采用鍵槽頂絲型鎖緊方式，但鍵槽、頂絲都易磨損，聯(lián)軸器傳遞扭矩的精度會(huì)隨鍵槽頂絲的磨損而損耗，因此目前伺服彈性聯(lián)軸器的主流鎖緊方式為夾緊式和脹緊套式。

4 金屬板簧類聯(lián)軸器在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代化加工設(shè)備高速高精的特點(diǎn)對(duì)于其伺服系統(tǒng)中的聯(lián)軸器也提出了越來(lái)越高的要求。剛性聯(lián)軸器無(wú)法吸收設(shè)備運(yùn)行中熱延伸等條件變量帶來(lái)的影響，而傳統(tǒng)的彈性聯(lián)軸器又不具備高應(yīng)答性導(dǎo)致扭矩傳遞中的損耗。而金屬板簧類伺服彈性聯(lián)軸器較完美地解決了上述矛盾，而其良好的熱阻斷特性和耐久性能，使其最大限度地降低了環(huán)境對(duì)傳動(dòng)部件的影響，同時(shí)又具備維護(hù)簡(jiǎn)單的特性。而根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，可以選擇不同材質(zhì)的金屬板簧類聯(lián)軸器，基本涵蓋了伺服系統(tǒng)中的大部分應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]吳迪，李明超，廉哲滿.基于ANSYS WORKBENCH膜片聯(lián)軸器的模態(tài)分析[J].機(jī)械工程師，2016，（1）.

[2]諾蘭德公司.如何正確選擇伺服聯(lián)軸器[J].現(xiàn)代制造，2009，（19）.

[3]徐忠四，朱學(xué)裕.銑床工作臺(tái)縱向伺服進(jìn)給單元設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009，（1）.