Сервомуфты: типы, выбор и руководство по установке

Сервомуфты: критическая связь между двигателем и нагрузкой

А сервомуфта представляет собой механический элемент, который соединяет выходной вал серводвигателя с ведомым компонентом — шариковым винтом, энкодером, шестерней или нагрузочным валом — при этом передавая крутящий момент с минимальным люфтом, высокой жесткостью на кручение и способностью компенсировать небольшое перекос вала. Выбор неправильного типа или размера муфты является одной из наиболее распространенных причин неточности позиционирования, преждевременного выхода из строя подшипников и нестабильного поведения управления в системах с сервоприводом. Муфта редко является самым дорогим компонентом системы движения, но она напрямую определяет, будут ли теоретические характеристики сервопривода реализованы на практике.

В этом руководстве рассказывается о том, как работают сервомуфты, основные типы и их компромиссы, характеристики, которые наиболее важны для выбора, а также методы установки и обслуживания, позволяющие сохранить точность позиционирования в течение всего срока службы машины.

Почему для сервоприводов требуются специализированные муфты

Стандартные гибкие муфты, используемые в общей передаче мощности — кулачковые муфты с мягкими крестовинными вставками, цепные муфты или зубчатые муфты — предназначены в первую очередь для надежной передачи крутящего момента и допускают перекосы. Люфт, податливость и демпфирование приемлемы или даже желательны в этих приложениях. К сервосистемам предъявляются принципиально разные требования.

А servo motor's closed-loop controller continuously compares commanded position to measured position and generates corrective torque. Any compliance or backlash between the motor shaft and the position sensor or load introduces a phase lag and a dead band into this feedback loop. Даже 1–2 угловых минуты углового люфта могут вызвать колебание, колебания и снижение повторяемости позиционирования. в сервосистемах с высоким разрешением — проблема, которая усугубляется по мере увеличения коэффициента усиления сервопривода для улучшения динамического отклика. Вот почему сервомуфты проектируются с практически нулевым люфтом и высокой жесткостью на кручение, а не с учетом виброизоляции или допуска несоосности.

Три конкурирующих требования

Каждая конструкция сервомуфты должна балансировать три свойства, которые частично работают друг против друга:

• Торсионная жесткость: Высокая жесткость сводит к минимуму угловую ошибку между двигателем и нагрузкой при изменяющихся крутящих нагрузках, что важно для точности позиционирования.
• Несоосность размещения: Никакая установка не обеспечивает идеального выравнивания валов. Муфта должна выдерживать небольшие угловые, параллельные и осевые смещения, не передавая чрезмерных сил реакции на подшипники двигателя и подшипники нагрузки.
• Низкий момент инерции: Аdded rotational inertia from the coupling increases the total inertia ratio (load inertia to motor inertia), reducing servo system bandwidth and responsiveness. Lightweight coupling designs preserve the motor's dynamic performance.

Ни один тип муфты не оптимизирует все три одновременно — процесс выбора всегда представляет собой инженерный компромисс, основанный на том, что наиболее важно для конкретного применения.

Основные типы сервомуфт и их компромиссы

Рынок сервомуфт сосредоточен на небольшом количестве семейств конструкций, каждое из которых имеет отдельный механизм компенсации смещения при сохранении жесткости на кручение.

Сильфонные муфты

В сильфонных муфтах используется тонкостенная гофрированная металлическая трубка (обычно из нержавеющей стали или алюминия), которая может изгибаться, компенсируя несоосность и передавая крутящий момент. Они предлагают почти нулевой люфт, высокая жесткость на кручение и очень низкий момент инерции потому что сильфонный элемент тонкий и легкий. Значения крутильной жесткости для стандартных сильфонных муфт варьируются от от 10 до 200 Нм/рад в небольших размерах, а в крупных промышленных версиях возрастает до более 5000 Нм/рад. Основным ограничением является относительно низкая вероятность смещения – обычно ±1° под углом и 0,1–0,3 мм параллельно. — и чувствительность к ударным нагрузкам, которые могут необратимо деформировать витки сильфона. Они являются предпочтительным выбором для приложений высокоточного позиционирования: сервооси с прямым приводом, соединения энкодеров и шариковинтовые передачи в станках с ЧПУ.

Балочные (спиральные) муфты

Соединения балок изготавливаются из цельного куска алюминия или нержавеющей стали путем прорезания в корпусе одной или нескольких спиральных прорезей, создавая податливую пружинную структуру. Цельная конструкция делает их практически безлюфтовыми. Они вмещают Угловое смещение ±3–5° и параллельное смещение 0,3–0,5 мм. — значительно больше, чем у сильфонных муфт, — но за счет меньшей жесткости на кручение. Винтовой разрез приводит к некоторому скручиванию под нагрузкой, что создает небольшую, но измеримую угловую ошибку между входным и выходным валами. Соединения балок лучше всего подходят для легких сервоприводов, соединений энкодера с валом и приводов шаговых двигателей. там, где позиционирующие нагрузки умеренны и допуск на несоосность важнее максимальной жесткости на кручение.

Дисковые муфты

В дисковых муфтах используются один или несколько тонких металлических дисков (или дисковых пакетов), которые изгибаются, компенсируя перекос, одновременно передавая крутящий момент посредством попеременной нагрузки на растяжение и сжатие по схеме крепления диска. Они сочетают в себе очень высокая жесткость на кручение, нулевой люфт и хороший крутящий момент. в компактной упаковке. Однодисковые конструкции хорошо компенсируют угловое и осевое смещение; Двухдисковые конструкции (пакет из двух дисков) также допускают параллельное смещение. Диски обычно изготавливаются из нержавеющей стали или титана и чувствительны к превышению номинальной способности к перекосу — это приводит к быстрому усталостному растрескиванию. Дисковые муфты широко используются в станках с сервоприводом, соединениях робототехники и высокоскоростных шпинделях.

Кулачковые муфты с полиуретановой крестовиной (сервопривод)

Стандартные кулачковые муфты с эластомерными крестовинами имеют люфт и не подходят для сервоприводов. В кулачковых муфтах сервокласса используется предварительно загруженный полиуретан или крестовина Hytrel который сжимается между ступицами челюстей, устраняя зазор, создающий люфт. Они являются наиболее гасящим вибрацию вариантом в семействе сервомуфт и полезны там, где нагрузка создает ударные моменты или механические резонансы, которые в противном случае дестабилизировали бы контур сервопривода. Их крутильная жесткость ниже, чем у сильфонных или дисковых типов, и они не подходят для самых высоких требований к точности позиционирования. Они хорошо работают в общей автоматизации: приводы конвейеров, упаковочное оборудование и легкие погрузочно-разгрузочные системы.

Муфты Олдхэма

Муфты Олдем передают крутящий момент через плавающий центральный диск, который скользит в пазах, выточенных в каждой ступице, компенсируя параллельное смещение без создания значительных радиальных нагрузок на подшипники. При использовании сервоприводов центральный диск изготавливается из ацеталя (делрина), PEEK или алюминия, а прилегание ступицы к диску тщательно контролируется, чтобы минимизировать люфт. Муфты Олдем не создают изгибающих моментов на валах двигателя и нагрузки. , что делает их лучшим выбором для применений, где радиальная нагрузка на подшипники имеет решающее значение, например, в серводвигателях с консольными подшипниками вала или прецизионных узлах ходового винта.

Краткое сравнение типов сервомуфт

В следующей таблице приведены основные характеристики производительности каждого типа сервомуфт для облегчения прямого сравнения в процессе выбора.

Основные характеристики для выбора сервомуфты

Выбор сервомуфты только по размеру отверстия и номинальному крутящему моменту недостаточен. Несколько взаимодействующих параметров необходимо оценить в сравнении с фактическими условиями применения.

Номинальный и пиковый крутящий момент

Номинальный крутящий момент муфты должен превышать непрерывный рабочий крутящий момент сервосистемы с коэффициентом запаса прочности. Однако сервосистемы регулярно генерируют пиковые крутящие моменты во время ускорения и замедления, которые могут быть устранены. В 3–10 раз больше номинального непрерывного крутящего момента двигателя. Максимальный крутящий момент муфты, а не только ее номинальный номинал, должен выдерживать эти переходные процессы без деформации или усталостного растрескивания. Для сильфонных и дисковых муфт максимальный крутящий момент обычно составляет 2–3-кратный номинальный крутящий момент ; Всегда проверяйте, чтобы пиковый выходной ток сервопривода (преобразованный в пиковый крутящий момент через константу Kt двигателя) не превышал это значение.

Крутильная жесткость и системный резонанс

Торсионная жесткость муфты в сочетании с отраженной инерцией нагрузки определяет крутильную резонансную частоту трансмиссии. Если эта резонансная частота попадает в полосу пропускания сервоконтроллера, система будет демонстрировать колебания и может стать нестабильной. Крутильная резонансная частота рассчитывается как:

f = (1/2π) × √(Kt/J) — где Kt — крутильная жесткость в Нм/рад, а J — суммарная отраженная инерция в кг·м².

Аs a practical guideline, крутильная резонансная частота должна быть как минимум в 3–5 раз больше ширины полосы пропускания сервопривода с обратной связью. для обеспечения стабильного управления. Если нельзя использовать более жесткую муфту, необходимо отрегулировать коэффициенты усиления сервопривода, что, как следствие, приведет к снижению динамических характеристик.

Момент инерции

Момент инерции муфты непосредственно добавляется к инерции со стороны двигателя при расчете коэффициента инерции системы. Для высокопроизводительных сервосистем, где соотношение инерции нагрузки к двигателю уже близко к рекомендуемому пределу от 3:1 до 5:1 , тяжелая муфта может привести систему в нестабильную рабочую область. Легкие алюминиевые сильфоны и муфты балки с моментом инерции ниже. 1 × 10⁻⁵ кг·м² в небольших размерах добавляют незначительную инерцию. Стальные дисковые муфты и кулачковые муфты с более тяжелыми ступицами добавляют существенно больше — всегда проверяйте данные производителя об инерции и учитывайте их при расчете инерции.

Размеры отверстий, посадка вала и метод крепления

Сервомуфты доступны с отверстиями стандартных метрических и дюймовых размеров, обычно от от 3 мм до 100 мм для большинства продуктов каталога. Способ соединения вала со ступицей оказывает большое влияние на люфт и нагрузку на вал:

• Конструкция зажима (разъемная ступица): Ступица крепится к валу с помощью радиального зажимного винта или разъемного зажима. Нулевой люфт в отверстии, отсутствие повреждений вала и простота изменения положения. Самый распространенный метод в сервомуфтах.
• Шпоночная канавка и установочный винт: Традиционный метод, обеспечивающий высокую передачу крутящего момента, но приводящий к потенциальному люфту при зазоре между шпонками. Избегайте применения в приложениях с нулевым люфтом, если только шпоночная канавка не имеет посадки с жестким допуском.
• Стяжная шайба/фиксирующий элемент: Использует гидравлическое или механическое активируемое кольцо, которое прижимает ступицу к валу с высокой радиальной силой. Максимальная передача крутящего момента и нулевой люфт для больших сервоприводов с высоким крутящим моментом.

Рабочая скорость (максимальное число оборотов в минуту)

Аll coupling types have a maximum speed rating above which centrifugal stress, dynamic imbalance, or resonance effects cause failure. Bellows and disc couplings in small sizes routinely handle 10 000–30 000 об/мин в сбалансированных конфигурациях. Челюстные муфты и муфты Олдхэма с полимерными элементами обычно ограничиваются 3000–6000 об/мин из-за центробежного воздействия на неметаллический центральный элемент. Всегда проверяйте максимальную номинальную скорость муфты по сравнению со скоростью сервопривода на холостом ходу при максимальной командной скорости.

Виды несоосности валов и их влияние на выбор муфты

В реальных установках несоосность соединенных валов неизбежна. Понимание трех типов несоосности и того, какую часть каждого из них может выдержать выбранная муфта, напрямую влияет как на срок службы муфты, так и на срок службы подшипников двигателя.

А critical rule: Значения смещения в паспортах производителя являются максимальными для каждого типа, действующего независимо, а не одновременно. Когда присутствуют как угловое, так и параллельное смещение (что является типичным реальным состоянием), муфта испытывает более сильную нагрузку, чем предполагают отдельные пределы. Общепринятой практикой является поддержание совокупного несоосности не более чем 50% номинального однотипного лимита для каждого компонента, когда оба типа присутствуют вместе.

Установка: правильное выравнивание и установка ступицы

Большинство преждевременных отказов сервомуфт связано с ошибками при установке, а не с конструктивными или производственными дефектами. Тщательная установка занимает менее часа и продлевает срок службы муфты от месяцев до лет.

Процедура центровки вала

1. Установите двигатель и приводной компонент на раму машины и свободно закрепите. На этом этапе не затягивайте крепежные детали полностью.
2. Наденьте ступицы муфты на оба вала, не затягивая полностью зажимные винты. Оставьте корпус муфты отсоединенным или собранным свободно.
3. Используйте циферблатный индикатор (DTI) или лазерный инструмент для выравнивания, чтобы измерить угловое и параллельное смещение между двумя поверхностями ступицы. Для прецизионных сервоприводов целевым угловое смещение менее 0,05° и параллельное смещение менее 0,02 мм. — вполне соответствует даже самым строгим требованиям к сильфонным муфтам.
4. Аdjust motor position using shims (axially) and lateral movement to bring misalignment within these targets. Recheck after each adjustment.
5. Затяните крепежные детали двигателя с указанным моментом, постоянно контролируя циферблатный индикатор, чтобы убедиться, что затягивание крепежных деталей не нарушает соосность.
6. Затяните зажимные винты ступицы с моментом, указанным производителем (обычно). 2–8 Нм для небольших ступиц сервомуфт. . Недостаточная затяжка позволяет ступице проскальзывать при пиковых нагрузках; чрезмерная затяжка может привести к растрескиванию корпусов с разъемной ступицей.

Аvoiding Hub Installation Errors

• Не используйте молоток для установки ступиц на валы. Ударная нагрузка на сильфоны и ступицы дисковых муфт может необратимо деформировать гибкий элемент, нарушая крутильную жесткость и балансировку. Для плотной посадки по отверстию используйте прессование вала или плавное термическое расширение (нагрев ступицы до 80–100°C).
• Перед сборкой проверьте разделение концов вала. Каждый тип муфты имеет необходимый зазор между концами вала внутри муфты. Слишком маленький зазор вызывает осевую предварительную нагрузку; слишком большое значение уменьшает доступный ход осевого смещения.
• Не наносите смазку на сильфоны или элементы диска. Эти металлические гибкие элементы предназначены для работы всухую. Загрязнение маслом или смазкой не улучшает производительность и может вызвать фреттинг-коррозию контактных поверхностей диска.
• Повторно проверьте центровку после термостабилизации. Тепловое расширение в первые часы работы может сместить соосность на 0,05–0,15 мм в машинах со значительным тепловыделением. На прецизионных сервоосях рекомендуется окончательная проверка центровки после первого рабочего цикла.

Признаки технического обслуживания, проверки и типичные неисправности

Аll-metal servo couplings (bellows, disc) have no wearing parts and require no lubrication. Their service life under correct installation and load conditions is effectively the machine life. Premature failure almost always indicates overload, misalignment, or installation damage. Polymer-element types (jaw, Oldham) have consumable center elements that wear and require periodic replacement.

Интервалы проверок

• Сильфоны и дисковые муфты: Визуальный осмотр на наличие трещин, деформаций или коррозии каждый раз. 6–12 месяцев или через плановые интервалы технического обслуживания машины. Ежегодно проверяйте момент затяжки зажимного винта ступицы.
• Крестовины челюстной муфты (полиуретан): Проверяйте каждый раз на предмет компрессионной деформации, трещин или износа. 3–6 месяцев в приложениях с непрерывным режимом работы. Замените заблаговременно, когда степень сжатия превысит 15 % — ожидание видимого отказа может привести к повреждению ступиц.
• Центральные диски Олдхэма: Осмотрите поверхности скольжения на наличие износа, задиров и пластической деформации. Замените, когда скользящий зазор заметно увеличится или когда повторяемость позиционирования начнет ухудшаться.

Предупреждающие знаки в поведении системы

• Постепенное увеличение ошибки позиционирования: В ранее точной системе растущее позиционное отклонение часто указывает на люфт муфты, возникающий из-за проскальзывания ступицы или изношенных центральных элементов.
• Коды неисправностей сервопривода при превышении следующей ошибки: Если сервоконтроллер начинает подавать сигналы об ошибках при крутящих моментах или ускорениях, которые ранее не вызывали проблем, проверьте муфту на предмет повреждений, прежде чем регулировать коэффициенты усиления контроллера.
• Вибрация или резонанс, которых ранее не было: А cracked bellows or disc element changes the system's torsional natural frequency and may introduce new resonance peaks that destabilize the servo loop.
• Видимый мусор в зоне соединения: Черная пыль (остатки износа полиуретана из кулачковой муфты) или металлические частицы (остатки усталости от раскалывающегося диска или сильфона) являются непосредственными индикаторами того, что муфта требует проверки и, возможно, замены.
• Повышенная температура подшипников двигателя: Чрезмерная нагрузка от несоосности, передаваемая через муфту на подшипники двигателя, повышает рабочую температуру подшипников. Двигатель, который работает значительно теплее, чем обычно, без изменения рабочего цикла, требует проверки соединения и соосности.

Пример определения размера: выбор сервомуфты для оси шарико-винтовой передачи

А concrete sizing example illustrates how the above parameters interact in a typical application. Consider a direct-drive servo motor connected to a ball screw for a CNC milling machine axis with the following parameters:

• Серводвигатель: постоянный крутящий момент 2,0 Нм, пиковый крутящий момент 6,0 Нм, максимальная скорость 3000 об/мин.
• Диаметр вала двигателя: 14 мм; Диаметр вала ШВП: 12 мм
• Требуемая повторяемость позиционирования: ±2 мкм (микрометры).
• Возможность выравнивания установки: угловая ±0,05°, параллельная ±0,03 мм.

Учитывая высокие требования к позиционированию, сильфонная муфта правильного типа : нулевой люфт, высокая жесткость на кручение и низкая инерция. Муфта должна быть рассчитана на пиковый крутящий момент не менее 6,0 Нм (выбор узла с номиналом 8–10 Нм обеспечивает необходимый запас прочности). Требуются размеры отверстий 14 мм и 12 мм — это стандартные конфигурации по каталогу всех основных поставщиков сильфонных муфт. Необходимо проверить жесткость на кручение, чтобы убедиться, что резонансная частота при кручении системы муфта-винт-стол превышает полосу пропускания сервопривода примерно 200 Гц с рекомендуемым коэффициентом 3–5×, ориентируясь на резонансную частоту выше 600 Гц. В этом типоразмере качественная сильфонная муфта таких производителей, как R W, Ruland, Huco или Mädler, удовлетворит всем требованиям при цене за единицу продукции, как правило, Диапазон $40–120 .