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.
Questo articolo spiega perché l'accoppiamento Oldham, in particolare nella sua versione miniaturizzata, è diventato lo standard per i collegamenti degli alberi di encoder e resolver nei sistemi di movimentazione di precisione in tutto il mondo.
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.
Consideriamo un asse servoassistito che utilizza un encoder montato sul motore per il feedback di posizione. Se l'accoppiamento tra l'albero del motore e l'encoder presenta un gioco di 0,1 gradi, ecco cosa percepisce il controllore ad ogni inversione di direzione:
Il motore inizia a ruotare nella nuova direzione. L'encoder, tuttavia, non segnala alcun movimento per i primi 0,1 gradi perché è necessario superare la zona morta dovuta al gioco meccanico prima che l'accoppiamento trasmetta il movimento al rotore dell'encoder. Durante questa zona morta, il controllore non rileva alcuna variazione di posizione e quindi continua a comandare una coppia crescente per compensare l'errore di posizione. Quando il gioco meccanico viene eliminato e l'encoder inizia a segnalare il movimento, il motore ha superato leggermente il punto di riferimento. Il controllore deve quindi invertire leggermente la rotazione per correggere la posizione e, in questa inversione, la zona morta di 0,1 gradi si ripresenta.
Il risultato è un ciclo limite: una piccola oscillazione sostenuta attorno alla posizione target che il controllore non può smorzare perché il gioco di accoppiamento rende discontinuo il modello dell'impianto. Su una superficie lavorata, ciò si manifesta come un caratteristico punto piatto o un segno di inversione direzionale. In un sistema a controllo di velocità, produce un'ondulazione di velocità alla frequenza di inversione.
Anche un gioco di soli 0,01 gradi, una quantità apparentemente trascurabile, può causare un degrado misurabile in un sistema di codifica ad alta risoluzione. Un codificatore a 5.000 linee ha una risoluzione nativa di 0,072 gradi per conteggio in quadratura; 0,01 gradi di gioco rappresentano all'incirca un conteggio di incertezza di posizione ad ogni inversione.
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.
Questa risposta immediata e priva di gioco significa che l'encoder segnala la posizione effettiva dell'albero in ogni momento, anche durante le inversioni di direzione. Il circuito di controllo riceve dati di feedback precisi e puliti e può operare alla larghezza di banda progettata senza i cicli di limitazione o le limitazioni di guadagno che il gioco imporrebbe.
Per confronto, anche un giunto a soffietto non presenta gioco, ma, come discusso in seguito, ha una limitazione critica nelle applicazioni con encoder che il giunto Oldham non ha.
Gli encoder e i resolver rotativi sono strumenti elettronici di precisione. I loro dischi ottici interni, i sensori magnetici o gli avvolgimenti dei trasformatori sono progettati per funzionare in un ambiente elettrico pulito. Molti sono così sensibili che correnti parassite di pochi milliampere che fluiscono attraverso l'albero e l'involucro dell'encoder possono danneggiare l'elettronica interna o corrompere il segnale di uscita.
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.
Il giunto Oldham con disco centrale in polimero garantisce un isolamento galvanico completo tra l'albero motore e l'albero dell'encoder. Nessuna corrente elettrica può fluire tra i due alberi attraverso il giunto, poiché il disco in acetale o nylon è un isolante. Questa è una proprietà unica che nessun giunto interamente metallico può replicare senza l'aggiunta di elementi isolanti separati.
In pratica, questo isolamento elettrico elimina un'intera classe di guasti dell'encoder che si verificano regolarmente nei sistemi di azionamento che utilizzano accoppiamenti metallici: guasti prematuri dei cuscinetti dell'encoder, output corrotto a causa del rumore indotto e danni da scarica elettrostatica ai circuiti CMOS all'interno dell'alloggiamento dell'encoder.
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.
Un giunto a soffietto con un offset laterale di 0,3 mm applica una forza di richiamo radiale di diversi Newton all'albero dell'encoder. Su un cuscinetto dell'encoder progettato per sopportare un precarico assiale di pochi Newton, questa forza radiale riduce drasticamente la durata del cuscinetto, potenzialmente da decine di migliaia di ore a poche centinaia di ore. Inoltre, aumenta la coppia di attrito che il giunto deve superare per azionare il rotore dell'encoder, il che può introdurre errori angolari dipendenti dalla velocità in alcuni tipi di encoder.
L'accoppiamento Oldham applica una forza radiale praticamente nulla ai cuscinetti dell'encoder, indipendentemente dallo spostamento laterale. Lo spostamento viene assorbito interamente dal disco scorrevole e i cuscinetti dell'encoder sono soggetti solo al precarico previsto. Per questo motivo i produttori di encoder raccomandano sempre gli accoppiamenti Oldham, o accoppiamenti che funzionano secondo lo stesso principio del disco scorrevole, per i loro prodotti.
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.
Gli accoppiamenti Oldham miniaturizzati, con i loro mozzi in alluminio leggero e il piccolo disco in polimero, presentano tra i valori di inerzia più bassi di qualsiasi tipo di accoppiamento a gioco zero nella stessa gamma di diametri del foro. Per le applicazioni con encoder, i valori di inerzia tipici sono compresi tra 0,1 e 1,0 g·cm² – sufficientemente bassi da avere un effetto trascurabile sulla fedeltà della risposta dell'encoder anche ad alte larghezze di banda del servo.
Albero motore verso encoder esterno (doppio feedback): Nei sistemi servoassistiti ad alte prestazioni, oltre all'encoder montato sul motore, a volte si utilizza un secondo encoder montato direttamente sul lato del carico (ad esempio, all'estremità di una vite a ricircolo di sfere). L'accoppiamento Oldham collega l'albero della vite a ricircolo di sfere a questo encoder lato carico, compensando qualsiasi disallineamento laterale tra l'asse della vite e l'asse centrale dell'encoder, fornendo al contempo un segnale pulito e privo di gioco che rende efficace il controllo a doppio feedback.
Tavola rotante con encoder angolare: 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.
Uscita del riduttore verso l'encoder di posizione: Molti robot industriali, attuatori rotativi e azionamenti a indicizzazione utilizzano un encoder sull'albero di uscita del riduttore anziché sull'ingresso del motore per misurare direttamente la posizione del carico. L'accoppiamento tra l'albero del riduttore e l'encoder deve tollerare l'eccentricità angolare e laterale del cuscinetto di uscita del riduttore, una funzione che l'accoppiamento Oldham gestisce con la sua capacità di offset laterale standard.
Codificatore di velocità del mandrino sulle macchine utensili: Nei torni e nei centri di lavoro si utilizza spesso un encoder sul mandrino per misurare la velocità del mandrino durante i cicli di filettatura e per fornire un feedback di override della velocità del mandrino. I cuscinetti del mandrino presentano un'eccentricità radiale molto maggiore rispetto a un cuscinetto di precisione per servomotori; un giunto Oldham assorbe questa eccentricità senza sovraccaricare l'encoder.
Per le applicazioni di codifica e risoluzione, i seguenti parametri regolano in genere la selezione:
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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