Ze wszystkich miejsc, w których sprzęgło Oldhama pojawia się w systemie sterowania ruchem, żadne nie jest bardziej wymagające – ani bardziej ujawniające jego unikalne zalety – niż połączenie między obracającym się wałem a obrotowym urządzeniem sprzężenia zwrotnego, takim jak enkoder inkrementalny, enkoder absolutny czy resolwer. Urządzenia te przetwarzają położenie kątowe wału na sygnał elektryczny, a jakość tego sygnału zależy bezpośrednio od jakości mechanicznego sprzężenia między wałem a wirnikiem wejściowym urządzenia. Sprzęgło z luzem, podatnością lub obciążeniem łożysk zakłóci sygnał w sposób kaskadowy w całym systemie sterowania.
W tym artykule wyjaśniono, dlaczego sprzęgło Oldham — szczególnie w wersji miniaturowej — stało się standardem w połączeniach wałów enkoderów i resolwerów w precyzyjnych systemach ruchu na całym świecie.
Co tak naprawdę mierzą enkodery i resolwery
Enkoder obrotowy lub resolwer to zasadniczo przetwornik: konwertuje położenie kątowe wału na sygnał elektryczny, który sterownik ruchu może zinterpretować. Enkodery inkrementalne generują ciąg impulsów o określonej liczbie impulsów na obrót; sterownik zlicza impulsy, aby określić względną zmianę położenia. Enkodery absolutne generują słowo cyfrowe, które bezpośrednio reprezentuje położenie kątowe wału w ciągu jednego obrotu (obrót jednoobrotowy) lub w ciągu wielu obrotów (obrót wieloobrotowy). Resolwery generują parę napięć sinusoidalnych, których stosunek amplitudy koduje kąt obrotu wału.
We wszystkich przypadkach dokładność sygnału elektrycznego jest ograniczona do dokładności sygnału wejściowego. Jeśli połączenie między wałem napędzanym a wałem wejściowym enkodera wprowadza jakikolwiek błąd kątowy – nawet niewielki – błąd ten jest zgłaszany do sterownika tak, jakby był to rzeczywisty ruch wału. Sterownik reaguje wówczas na nieprawidłowe dane dotyczące położenia, generując błędy pozycjonowania, wahania prędkości lub niestabilność pętli sterowania, których nie można skorygować programowo, ponieważ sterownik nie wie o istnieniu błędu.
Problem luzów zwrotnych w sprzężeniach zwrotnych
Rozważmy oś serwo wykorzystującą enkoder zamontowany na silniku do sprzężenia zwrotnego położenia. Jeśli luz między wałem silnika a enkoderem wynosi 0,1 stopnia, sterownik doświadcza następujących zmian przy każdej zmianie kierunku:
Silnik zaczyna się obracać w nowym kierunku. Enkoder jednak nie zgłasza żadnego ruchu przez pierwsze 0,1 stopnia, ponieważ martwa strefa luzu musi zostać przekroczona, zanim sprzęgło przekaże ruch do wirnika enkodera. W tej martwej strefie sterownik nie rejestruje żadnych zmian w sprzężeniu zwrotnym położenia i dlatego kontynuuje sterowanie zwiększaniem momentu obrotowego, aby zniwelować błąd położenia. Zanim luz zostanie uwzględniony i enkoder zacznie zgłaszać ruch, silnik nieznacznie przekroczył cel. Sterownik musi teraz nieznacznie odwrócić kierunek, aby skorygować błąd – i po tym odwróceniu kierunku ponownie pojawia się martwa strefa 0,1 stopnia.
Rezultatem jest cykl graniczny: niewielka, utrzymująca się oscylacja wokół pozycji docelowej, której sterownik nie jest w stanie stłumić, ponieważ luz sprzęgła powoduje nieciągłość modelu instalacji. Na powierzchni obrobionej objawia się to charakterystycznym płaskim punktem lub znakiem odwrócenia kierunku. W układzie sterowanym prędkością generuje to tętnienie prędkości przy częstotliwości odwrócenia.
Nawet 0,01 stopnia luzu – wartość pozornie nieistotna – może spowodować mierzalną degradację w systemie enkoderów o wysokiej rozdzielczości. Enkoder 5000-liniowy ma natywną rozdzielczość 0,072 stopnia na jednostkę kwadraturową; 0,01 stopnia luzu odpowiada w przybliżeniu jednemu zliczeniu niepewności położenia przy każdym odwróceniu.
Dlaczego brak luzu w sprzęgle Oldham jest tutaj kluczowy
Mechanizm czopowo-rowkowy sprzęgła Oldhama tworzy połączenie kształtowe bez luzu kątowego. Gdy wał napędowy zmienia kierunek, wałek enkodera natychmiast podąża za nim – w granicach tolerancji luzu mechanicznego sprzęgła, który w precyzyjnym, miniaturowym sprzęgle Oldham jest mierzony w sekundach kątowych, a nie minutach kątowych.
Ta natychmiastowa, bezluzowa reakcja oznacza, że enkoder stale raportuje rzeczywiste położenie wału, również podczas zmiany kierunku. Pętla sterowania otrzymuje czyste, dokładne dane sprzężenia zwrotnego i może pracować w zaprojektowanej szerokości pasma, bez ograniczeń cykli i wzmocnienia, jakie generowałyby luzy.
Dla porównania, sprzęgło mieszkowe również zapewnia zerowy luz — jednak, jak omówiono poniżej, ma ono krytyczne ograniczenie w zastosowaniach enkoderów, którego nie ma sprzęgło Oldhama.
Izolacja elektryczna: ochrona elektroniki enkodera
Enkodery obrotowe i resolwery to precyzyjne urządzenia elektroniczne. Ich wewnętrzne dyski optyczne, czujniki magnetyczne lub uzwojenia transformatora są zaprojektowane do pracy w czystym środowisku elektrycznym. Wiele z nich jest na tyle czułych, że prądy błądzące o natężeniu kilku miliamperów płynące przez wał i obudowę enkodera mogą uszkodzić wewnętrzną elektronikę lub zakłócić sygnał wyjściowy.
W układach napędzanych silnikiem, wał silnika często ma inny potencjał elektryczny niż uziemienie ze względu na sprzężenie pojemnościowe poprzez pasożytniczą pojemność uzwojenia silnika i wirnika. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) i serwowzmacniacze wykorzystujące modulację szerokości impulsu (PWM) o częstotliwościach przełączania kilku kiloherców generują szczególnie agresywne przebiegi napięcia na wale. Jeśli enkoder jest połączony elektrycznie z wałem silnika za pomocą metalowego sprzęgła, napięcia te mogą generować prądy łożyskowe i przejściowe stany przełączania przez czułą elektronikę enkodera.
Sprzęgło Oldham z polimerowym dyskiem centralnym zapewnia pełną izolację galwaniczną między wałem napędowym a wałem enkodera. Prąd elektryczny nie może przepływać między dwoma wałami przez sprzęgło, ponieważ dysk acetalowy lub nylonowy jest materiałem nieprzewodzącym. Jest to unikalna cecha, której żaden typ sprzęgła całkowicie metalowego nie jest w stanie odtworzyć bez dodania oddzielnych elementów izolacyjnych.
W praktyce taka izolacja elektryczna eliminuje całą klasę usterek enkodera, które regularnie występują w systemach napędowych wykorzystujących sprzęgła metalowe — przedwczesne uszkodzenie łożysk w enkoderze, uszkodzone wyjście z powodu indukowanego szumu oraz uszkodzenia układów CMOS wewnątrz obudowy enkodera spowodowane wyładowaniami elektrostatycznymi.
Dlaczego sprzęgła mieszkowe nie mogą zastąpić sprzęgieł Oldham?
Sprzęgła mieszkowe również charakteryzują się brakiem luzu i są szeroko stosowane w połączeniach enkoderów. Mają jednak istotną wadę w tym zastosowaniu: przenoszą siły reakcji promieniowej na wewnętrzne łożyska enkodera w przypadku występowania bocznego przesunięcia wału.
Łożyska enkoderów i resolwerów to zazwyczaj miniaturowe łożyska precyzyjne – łożyska kulkowe głębokorowkowe serii 6900 lub 6800 o średnicy otworu 10 mm lub mniejszej. Łożyska te są zaprojektowane do przenoszenia jedynie osiowego napięcia wstępnego określonego przez producenta enkodera w celu utrzymania osiowego położenia wirnika. Nie są one przeznaczone do przenoszenia znacznych obciążeń promieniowych.
Sprzęgło mieszkowe z przesunięciem bocznym 0,3 mm przyłoży promieniową siłę przywracającą o wartości kilku niutonów do wału enkodera. W łożysku enkodera o nominalnym napięciu wstępnym osiowym rzędu kilku niutonów, ta siła promieniowa drastycznie skraca żywotność łożyska – potencjalnie z dziesiątek tysięcy do kilkuset godzin. Zwiększa również moment tarcia, który sprzęgło musi pokonać, aby napędzać wirnik enkodera, co w niektórych typach enkoderów może powodować błędy kątowe zależne od prędkości.
Sprzęgło Oldhama wywiera praktycznie zerową siłę promieniową na łożyska enkodera, niezależnie od przesunięcia bocznego. Przesunięcie jest w całości absorbowane przez tarczę ślizgową, a łożyska enkodera działają jedynie pod obciążeniem projektowym. Dlatego producenci enkoderów konsekwentnie zalecają stosowanie sprzęgieł Oldhama – lub sprzęgieł działających na tej samej zasadzie, co tarcza ślizgowa – w swoich produktach.
Niska bezwładność: utrzymanie wierności odpowiedzi enkodera
Bezwładność sprzęgła bezpośrednio zwiększa bezwładność, jaką wirnik i wał enkodera muszą przyspieszać i zwalniać. W serwomechanizmie pracującym w szerokim paśmie częstotliwości – z przyspieszeniami osiowymi 10 m/s² lub większymi na etapie liniowym, co odpowiada tysiącom stopni na sekundę do kwadratu na wale enkodera – sprzęgło o dużej bezwładności działa jak filtr dolnoprzepustowy między ruchem wału a pozycją zgłaszaną przez enkoder.
Miniaturowe sprzęgła Oldham, z lekkimi aluminiowymi piastami i małą tarczą polimerową, charakteryzują się jednymi z najniższych wartości bezwładności wśród sprzęgieł bezluzowych w tym samym zakresie średnic otworów. W zastosowaniach z enkoderami, typowe wartości bezwładności sprzęgła mieszczą się w zakresie od 0,1 do 1,0 g·cm² – są one wystarczająco niskie, aby mieć pomijalny wpływ na dokładność odpowiedzi enkodera, nawet przy dużej szerokości pasma serwomechanizmu.
Konkretne scenariusze zastosowań
Wał silnika do zewnętrznego enkodera (podwójne sprzężenie zwrotne): Wysokowydajne systemy serwo czasami wykorzystują drugi enkoder zamontowany bezpośrednio po stronie obciążenia (na przykład na końcu śruby kulowej), oprócz enkodera zamontowanego na silniku. Sprzęgło Oldhama łączy wał śruby kulowej z enkoderem po stronie obciążenia, kompensując wszelkie przesunięcia poprzeczne między osią śruby a osią enkodera, zapewniając jednocześnie czysty, bezluzowy sygnał, który sprawia, że sterowanie z podwójnym sprzężeniem zwrotnym ma sens.
Stół obrotowy do enkodera kątowego: Stoły obrotowe o wysokiej dokładności wykorzystują enkoder kątowy o dużej średnicy (taki jak Heidenhain RON lub SICK HIPERFACE) zamontowany bezpośrednio na wale wyjściowym stołu. Sprzęgło między czopem łożyska stołu a wejściem enkodera musi być wystarczająco sztywne, aby uniknąć podatności skrętnej, a jednocześnie absorbować termiczne i mechaniczne bicie układu łożysk bez obciążania enkodera. Funkcję tę spełniają miniaturowe sprzęgła Oldham o średnicy otworu 20–50 mm.
Wyjście skrzyni biegów do enkodera położenia: Wiele robotów przemysłowych, siłowników obrotowych i napędów indeksujących wykorzystuje enkoder na wale wyjściowym przekładni, a nie na wejściu silnika, do bezpośredniego pomiaru położenia obciążenia. Sprzęgło między wałem przekładni a enkoderem musi tolerować bicie kątowe i boczne łożyska wyjściowego przekładni – funkcję, którą sprzęgło Oldham spełnia dzięki swojej standardowej zdolności do przesunięcia bocznego.
Enkoder prędkości wrzeciona w obrabiarkach: Tokarki i centra obróbcze często wykorzystują enkoder na wrzecionie do pomiaru prędkości obrotowej w cyklach gwintowania oraz sprzężenia zwrotnego z nadrzędną regulacją prędkości obrotowej wrzeciona. Łożyska wrzeciona charakteryzują się znacznie większym biciem promieniowym niż precyzyjne łożyska serwo; sprzęgło Oldhama kompensuje to bicie bez obciążania enkodera.
Wskazówki dotyczące wyboru i instalacji
W przypadku aplikacji kodujących i resolwerowych wybór zwykle zależy od następujących parametrów:
- Rozmiary otworów: Dopasuj średnicę wału napędowego (wału silnika lub maszyny) do średnicy wału napędzanego (wału enkodera – zazwyczaj 6, 8 lub 10 mm w przypadku standardowych enkoderów przemysłowych). Wiele miniaturowych sprzęgieł Oldham umożliwia wykonanie różnych otworów na każdej piaście.
- Moment obrotowy: Zastosowania enkoderów wymagają bardzo niskiego momentu obrotowego – zazwyczaj od 0,05 do 0,5 Nm dla większości enkoderów przemysłowych. Prawie każde miniaturowe sprzęgło Oldhama będzie więcej niż odpowiednie pod tym względem; zazwyczaj decydują o tym średnica otworu i bezwładność, a nie moment obrotowy.
- Nośność przesunięcia bocznego: Należy określić sprzęgło, którego maksymalne znamionowe przesunięcie jest co najmniej dwukrotnie większe od przewidywanego przesunięcia montażowego, aby zachować margines na dryft termiczny i mechaniczny przez cały okres eksploatacji maszyny.
- Styl piasty: Piasty zaciskowe są zdecydowanie preferowane do połączeń z enkoderami. Wymóg braku luzu dotyczy również styku piasty z wałem: śruba ustalająca, która pozwala na mikropoślizg piasty pod wpływem drgań, będzie generować szum położenia na wyjściu enkodera.
Podczas montażu najważniejszym krokiem jest sprawdzenie, czy sprzęgło nie jest poddane ściskaniu osiowemu między wałem silnika a wałem enkodera. Ściskanie osiowe dociska czopy tarczy do końcówek rowków piasty, tworząc twardy ogranicznik, który przenosi siłę osiową na łożyska enkodera. Prawidłowy montaż charakteryzuje się niewielkim luzem osiowym – zazwyczaj od 0,5 do 1,0 mm – między tarczą a każdą powierzchnią piasty, gdy piasty są dokręcone w swoich położeniach końcowych.
Wniosek
Sprzęgło Oldham to nie tylko jedna z opcji połączeń enkoderów i resolwerów — to technicznie najlepszy wybór dla zdecydowanej większości tych zastosowań. Jego zerowy luz eliminuje martwe strefy pozycyjne w pętlach sprzężenia zwrotnego. Polimerowa tarcza centralna zapewnia izolację elektryczną, chroniąc wrażliwą elektronikę enkodera przed napięciem wału i prądami łożysk. Mechanizm tarczy przesuwnej kompensuje przesunięcie boczne bez obciążania miniaturowych łożysk enkodera. Niska bezwładność pozwala zachować pełną szerokość pasma systemu enkodera. Żaden inny standardowy typ sprzęgła nie łączy wszystkich czterech tych właściwości w jednej kompaktowej obudowie.
Zobacz nasze miniaturowy zakres sprzęgieł Oldham do zastosowań koderów i resolverów lub skontaktuj się z naszym zespołem inżynierów w celu uzyskania pomocy w wyborze.
