Of all the places an Oldham coupling appears in a motion control system, none is more demanding — or more revealing of the coupling’s unique strengths — than the connection between a rotating shaft and a rotary feedback device such as an incremental encoder, an absolute encoder, or a resolver. These devices convert shaft angular position into an electrical signal, and the quality of that signal depends directly on the quality of the mechanical coupling between the shaft and the device’s input rotor. A coupling with backlash, compliance, or bearing-loading effects will corrupt the signal in ways that cascade through the entire control system.
Dieser Artikel erklärt, warum die Oldham-Kupplung – insbesondere in ihrer Miniaturform – zum Standard für Encoder- und Resolverwellenverbindungen in Präzisionsbewegungssystemen weltweit geworden ist.
A rotary encoder or resolver is fundamentally a transducer: it converts the angular position of a shaft into an electrical output that a motion controller can interpret. Incremental encoders output a pulse train with a defined number of pulses per revolution; the controller counts pulses to determine relative position change. Absolute encoders output a digital word that directly represents the shaft’s angular position within one revolution (single-turn) or over multiple revolutions (multi-turn). Resolvers output a pair of sinusoidal voltages whose amplitude ratio encodes shaft angle.
In all cases, the electrical output is only as accurate as the mechanical input. If the coupling between the driven shaft and the encoder’s input shaft introduces any angular error — however small — that error is reported to the controller as if it were real shaft motion. The controller then acts on incorrect position data, producing positioning errors, velocity ripple, or instability in the control loop that cannot be corrected in software because the controller does not know the error exists.
Betrachten wir eine Servoachse mit einem am Motor montierten Encoder zur Positionsrückmeldung. Wenn die Kupplung zwischen Motorwelle und Encoder ein Spiel von 0,1 Grad aufweist, ergibt sich für den Regler bei jeder Richtungsumkehr folgendes:
Der Motor beginnt sich in die neue Richtung zu drehen. Der Encoder meldet jedoch in den ersten 0,1 Grad keine Bewegung, da das Spiel zunächst ausgeglichen werden muss, bevor die Kupplung die Bewegung auf den Encoderrotor überträgt. Während dieses Totbereichs erfasst die Steuerung keine Positionsänderung und erhöht daher das Drehmoment weiter, um den Positionsfehler zu beheben. Bis das Spiel ausgeglichen ist und der Encoder eine Bewegung meldet, hat der Motor den Zielwert leicht überschritten. Die Steuerung muss nun die Drehrichtung leicht umkehren, um dies zu korrigieren – und bei dieser Umkehrung tritt der 0,1-Grad-Totbereich erneut auf.
Das Ergebnis ist ein Grenzzyklus: eine kleine, anhaltende Schwingung um die Sollposition, die der Regler aufgrund des Kupplungsspiels, das das Anlagenmodell diskontinuierlich macht, nicht dämpfen kann. Auf einer bearbeiteten Oberfläche äußert sich dies als charakteristische Abflachung oder Richtungsumkehrmarke. In einem geschwindigkeitsgeregelten System erzeugt es eine Geschwindigkeitswelligkeit mit der Umkehrfrequenz.
Selbst 0,01 Grad Spiel – ein scheinbar vernachlässigbarer Wert – können in einem hochauflösenden Encodersystem messbare Beeinträchtigungen verursachen. Ein Encoder mit 5.000 Zeilen hat eine native Auflösung von 0,072 Grad pro Quadraturschritt; 0,01 Grad Spiel entsprechen etwa einem Positionsunsicherheitsschritt pro Umdrehung.
The Oldham coupling’s tenon-and-slot mechanism creates a positive form-fit connection with no angular free play. When the driving shaft reverses direction, the encoder shaft follows immediately — within the mechanical play tolerance of the coupling, which in a precision miniature Oldham coupling is measured in arc-seconds, not arc-minutes.
Durch diese unmittelbare, spielfreie Reaktion meldet der Encoder jederzeit die tatsächliche Wellenposition, auch bei Richtungsumkehr. Der Regelkreis erhält saubere, präzise Rückmeldedaten und kann innerhalb seiner vorgesehenen Bandbreite ohne die durch Spiel bedingten Grenzfrequenzschwankungen oder Verstärkungsbegrenzungen arbeiten.
Zum Vergleich: Eine Balgkupplung bietet ebenfalls spielfreie Kupplung – allerdings weist sie, wie weiter unten erläutert, bei Encoder-Anwendungen eine entscheidende Einschränkung auf, die bei der Oldham-Kupplung nicht besteht.
Drehgeber und Resolver sind elektronische Präzisionsinstrumente. Ihre internen optischen Scheiben, Magnetsensoren oder Transformatorwicklungen sind für den Betrieb in einer störungsfreien Umgebung ausgelegt. Viele sind so empfindlich, dass bereits geringe Streuströme von wenigen Milliampere, die durch die Geberwelle und das Gehäuse fließen, die interne Elektronik beschädigen oder das Ausgangssignal verfälschen können.
In motor-driven systems, the motor shaft is often at a different electrical potential from earth due to capacitive coupling through the motor’s winding-to-rotor parasitic capacitance. Variable frequency drives (VFDs) and servo amplifiers using pulse-width modulation switching frequencies of several kilohertz generate particularly aggressive shaft voltage waveforms. If the encoder is electrically connected to the motor shaft through a metal coupling, these shaft voltages can drive bearing currents and switching transients through the encoder’s sensitive electronics.
Die Oldham-Kupplung mit Polymer-Mittelscheibe gewährleistet eine vollständige galvanische Trennung zwischen Antriebs- und Geberwelle. Da die Acetal- oder Nylonscheibe nichtleitend ist, kann kein Strom zwischen den beiden Wellen durch die Kupplung fließen. Diese einzigartige Eigenschaft lässt sich mit keiner Ganzmetallkupplung ohne zusätzliche Isolationselemente nachbilden.
In der Praxis beseitigt diese elektrische Isolation eine ganze Klasse von Encoder-Ausfällen, die regelmäßig in Antriebssystemen mit Metallkupplungen auftreten – vorzeitiger Lagerausfall im Encoder, verfälschte Ausgabe aufgrund von induziertem Rauschen und Schäden an CMOS-Schaltungen im Inneren des Encodergehäuses durch elektrostatische Entladung.
Bellows couplings are also zero-backlash and are widely used in encoder connections. However, they have a critical weakness in this application: they transmit radial reaction forces to the encoder’s internal bearings when lateral shaft offset is present.
Encoder and resolver bearings are typically miniature precision bearings — 6900 or 6800 series deep groove ball bearings with bore sizes of 10 mm or less. These bearings are designed to carry only the axial preload applied by the encoder manufacturer to maintain the rotor’s axial position. They are not designed to carry significant radial loads.
Eine Balgkupplung mit 0,3 mm seitlichem Versatz übt eine radiale Rückstellkraft von mehreren Newton auf die Geberwelle aus. Bei einem Geberlager, das für eine axiale Vorspannung von wenigen Newton ausgelegt ist, reduziert diese Radialkraft die Lagerlebensdauer drastisch – potenziell von Zehntausenden auf wenige Hundert Stunden. Zudem erhöht sie das Reibungsmoment, das die Kupplung überwinden muss, um den Geberrotor anzutreiben, was bei manchen Gebertypen zu geschwindigkeitsabhängigen Winkelfehlern führen kann.
Die Oldham-Kupplung übt unabhängig vom seitlichen Versatz praktisch keine Radialkraft auf die Encoderlager aus. Der Versatz wird vollständig von der Gleitscheibe aufgenommen, und die Encoderlager erfahren nur ihre vorgesehene Vorspannung. Aus diesem Grund empfehlen Encoderhersteller für ihre Produkte durchweg Oldham-Kupplungen oder Kupplungen, die nach demselben Gleitscheibenprinzip funktionieren.
The coupling inertia adds directly to the inertia that the encoder rotor and shaft must accelerate and decelerate. In a servo system operating at high bandwidth — with axis accelerations of 10 m/s² or more on a linear stage, corresponding to thousands of degrees per second squared at the encoder shaft — a coupling with high inertia acts as a low-pass filter between the shaft motion and the encoder’s reported position.
Miniatur-Oldham-Kupplungen mit ihren leichten Aluminiumnaben und kleinen Polymerscheiben weisen im Vergleich zu anderen spielfreien Kupplungen im gleichen Bohrungsgrößenbereich eine der niedrigsten Trägheitskonstanten auf. Für Encoder-Anwendungen sind Kupplungsträgheitswerte im Bereich von 0,1 bis 1,0 g·cm² typisch – so niedrig, dass sie die Genauigkeit des Encoder-Ansprechverhaltens selbst bei hohen Servobandbreiten kaum beeinträchtigen.
Motorwelle zu externem Encoder (doppelte Rückkopplung): Hochleistungs-Servosysteme verwenden neben dem motorseitigen Encoder mitunter einen zweiten, direkt lastseitig montierten Encoder (z. B. am Ende einer Kugelumlaufspindel). Die Oldham-Kupplung verbindet die Kugelumlaufspindelwelle mit diesem lastseitigen Encoder und gleicht so jegliche seitliche Abweichung zwischen Spindelachse und Encoder-Mittellinie aus. Gleichzeitig liefert sie das saubere, spielfreie Signal, das für eine sinnvolle Regelung mit doppelter Rückkopplung erforderlich ist.
Drehtisch zu Winkelgeber: High-accuracy rotary tables use a large-diameter angle encoder (such as a Heidenhain RON or SICK HIPERFACE device) mounted directly on the table’s output shaft. The coupling between the table bearing journal and the encoder input must be rigid enough to avoid torsional compliance while absorbing the thermal and mechanical runout of the bearing system without loading the encoder. Miniature Oldham couplings in the 20–50 mm bore range serve this function.
Getriebeausgang zum Positionsgeber: Viele Industrieroboter, Drehantriebe und Indexantriebe nutzen einen Encoder an der Getriebeausgangswelle anstelle des Motoreingangs, um die Lastposition direkt zu messen. Die Kupplung zwischen Getriebewelle und Encoder muss den Winkel- und Seitenschlag des Getriebeausgangslagers ausgleichen – eine Aufgabe, die die Oldham-Kupplung mit ihrer standardmäßigen seitlichen Versatzkapazität erfüllt.
Spindeldrehzahlgeber an Werkzeugmaschinen: Drehmaschinen und Bearbeitungszentren verwenden häufig einen Encoder an der Spindel, um die Spindeldrehzahl für Gewindeschneidzyklen zu messen und eine Rückmeldung bei Drehzahlüberschreitung zu geben. Die Spindellager weisen einen deutlich größeren Rundlauffehler auf als Präzisionsservolager; eine Oldham-Kupplung gleicht diesen Rundlauffehler aus, ohne den Encoder zu belasten.
Für Encoder- und Resolver-Anwendungen werden typischerweise die folgenden Parameter für die Auswahl herangezogen:
At installation, the most important step is to verify that the coupling is not placed under axial compression between the motor shaft and the encoder shaft. Axial compression forces the disc tenons against the hub slot ends, creating a hard stop that transmits axial force into the encoder’s bearings. The correct installation has a small axial clearance — typically 0.5 to 1.0 mm — between the disc and each hub face when the hubs are tightened in their final positions.
The Oldham coupling is not just one option for encoder and resolver connections — it is the technically superior choice for the vast majority of these applications. Its zero backlash eliminates positional dead zones in feedback loops. Its polymer centre disc provides electrical isolation that protects sensitive encoder electronics from shaft voltage and bearing currents. Its sliding disc mechanism absorbs lateral offset without loading the encoder’s miniature bearings. And its low inertia preserves the full bandwidth of the encoder system. No other standard coupling type combines all four of these properties in a single compact package.
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