Bir hareket kontrol sisteminde Oldham kaplininin kullanıldığı tüm yerler arasında, dönen bir şaft ile artımlı enkoder, mutlak enkoder veya çözücü gibi döner geri besleme cihazı arasındaki bağlantıdan daha zorlu veya kaplinin benzersiz güçlü yönlerini daha iyi ortaya koyan bir yer yoktur. Bu cihazlar şaftın açısal konumunu elektriksel bir sinyale dönüştürür ve bu sinyalin kalitesi, şaft ile cihazın giriş rotoru arasındaki mekanik kaplinin kalitesine doğrudan bağlıdır. Boşluk, esneklik veya yatak yükleme etkilerine sahip bir kaplin, sinyali tüm kontrol sistemine yayılan şekillerde bozacaktır.
Bu makale, Oldham kaplininin -özellikle minyatür formunun- neden dünya çapında hassas hareket sistemlerinde enkoder ve çözücü şaft bağlantıları için standart haline geldiğini açıklamaktadır.
Kodlayıcılar ve Çözücüler Gerçekte Neyi Ölçüyor?
Döner kodlayıcı veya çözücü, temelde bir dönüştürücüdür: bir şaftın açısal konumunu, bir hareket kontrol cihazının yorumlayabileceği elektriksel bir çıkışa dönüştürür. Artımlı kodlayıcılar, devir başına tanımlanmış sayıda darbe içeren bir darbe dizisi üretir; kontrol cihazı, göreceli konum değişimini belirlemek için darbeleri sayar. Mutlak kodlayıcılar, şaftın açısal konumunu bir devir (tek tur) veya birden fazla devir (çok tur) içinde doğrudan temsil eden dijital bir kelime üretir. Çözücüler, genlik oranı şaft açısını kodlayan bir çift sinüzoidal voltaj üretir.
Her durumda, elektriksel çıkışın doğruluğu mekanik girişin doğruluğuyla sınırlıdır. Tahrik edilen mil ile enkoderin giriş mili arasındaki bağlantı, ne kadar küçük olursa olsun, herhangi bir açısal hata oluşturursa, bu hata kontrol ünitesine gerçek mil hareketiymiş gibi bildirilir. Kontrol ünitesi daha sonra yanlış konum verilerine göre hareket ederek konumlandırma hatalarına, hız dalgalanmalarına veya kontrol döngüsünde yazılımda düzeltilemeyen kararsızlığa neden olur çünkü kontrol ünitesi hatanın varlığından haberdar değildir.
Geri Besleme Bağlantılarında Geri Tepme Sorunu
Konum geri beslemesi için motora monte edilmiş bir enkoder kullanan bir servo eksenini ele alalım. Motor mili ile enkoder arasındaki bağlantıda 0,1 derecelik boşluk varsa, kontrol ünitesi her yön değiştirme işleminde aşağıdaki durumla karşılaşır:
Motor yeni yönde dönmeye başlar. Ancak, enkoder ilk 0,1 derece için herhangi bir hareket bildirmez çünkü kavrama hareketi enkoder rotoruna iletmeden önce boşluk ölü bölgesinin geçilmesi gerekir. Bu ölü bölge sırasında, kontrolör konum geri bildiriminde herhangi bir değişiklik görmez ve bu nedenle konum hatasını kapatmak için artan tork komutu vermeye devam eder. Boşluk giderildiğinde ve enkoder hareket bildirmeye başladığında, motor hedefi biraz aşmış olur. Kontrolörün şimdi düzeltmek için biraz geri gitmesi gerekir ve bu geri dönüşte 0,1 derecelik ölü bölge yeniden ortaya çıkar.
Sonuç olarak bir limit döngüsü oluşur: Kontrolörün sönümleyemediği, hedef konum etrafında küçük, sürekli bir salınım meydana gelir; çünkü bağlantı boşluğu, tesis modelini süreksiz hale getirir. İşlenmiş bir yüzeyde bu, karakteristik bir düz nokta veya yön değiştirme işareti olarak kendini gösterir. Hız kontrollü bir sistemde ise, yön değiştirme frekansında hız dalgalanması üretir.
Önemsiz gibi görünen 0,01 derecelik bir boşluk bile, yüksek çözünürlüklü bir kodlayıcı sisteminde ölçülebilir bir bozulmaya neden olabilir. 5.000 satırlı bir kodlayıcının doğal çözünürlüğü, her bir kare sayımında 0,072 derecedir; 0,01 derecelik boşluk, her bir ters çevirmede yaklaşık bir konum belirsizliğine karşılık gelir.
Oldham Bağlantısının Sıfır Geri Tepme Özelliğinin Burada Kritik Öneme Sahip Olmasının Önemi
Oldham kaplininin geçme ve yuva mekanizması, açısal boşluk olmaksızın kusursuz bir uyum bağlantısı oluşturur. Tahrik mili yön değiştirdiğinde, kodlayıcı mili de hemen onu takip eder; bu, kaplinin mekanik boşluk toleransı dahilindedir ve hassas minyatür Oldham kaplinlerinde bu tolerans, yay dakikası değil, yay saniyesi cinsinden ölçülür.
Bu anlık, geri tepmesiz tepki, kodlayıcının yön değiştirme anları da dahil olmak üzere her zaman gerçek şaft konumunu bildirmesi anlamına gelir. Kontrol döngüsü temiz ve doğru geri bildirim verileri alır ve geri tepmenin getireceği limit döngüsü veya kazanç sınırlaması olmadan tasarlanmış bant genişliğinde çalışabilir.
Karşılaştırma yapmak gerekirse, körüklü bağlantı da sıfır boşluk sağlar; ancak aşağıda tartışıldığı gibi, Oldham bağlantısının sahip olmadığı, kodlayıcı uygulamalarında kritik bir sınırlamaya sahiptir.
Elektriksel İzolasyon: Enkoder Elektroniğinin Korunması
Döner kodlayıcılar ve çözücüler hassas elektronik cihazlardır. İçlerindeki optik diskler, manyetik sensörler veya transformatör sargıları temiz bir elektrik ortamında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Birçoğu o kadar hassastır ki, kodlayıcı milinden ve gövdesinden geçen birkaç miliamperlik kaçak akımlar iç elektronik aksamı hasar verebilir veya çıkış sinyalini bozabilir.
Motor tahrikli sistemlerde, motor mili, motorun sargı-rotor parazitik kapasitansından kaynaklanan kapasitif bağlantı nedeniyle genellikle topraktan farklı bir elektriksel potansiyelde bulunur. Birkaç kilohertz'lik darbe genişliği modülasyonlu anahtarlama frekansları kullanan değişken frekanslı sürücüler (VFD'ler) ve servo amplifikatörler, özellikle agresif mil gerilimi dalga biçimleri üretir. Enkoder, metal bir kaplin aracılığıyla motor miline elektriksel olarak bağlıysa, bu mil gerilimleri, enkoderin hassas elektronik devreleri üzerinden yatak akımlarını ve anahtarlama geçişlerini tetikleyebilir.
Polimer merkez diskli Oldham kaplin, tahrik mili ile enkoder mili arasında tam galvanik izolasyon sağlar. Asetal veya naylon disk iletken olmadığından, kaplin üzerinden iki mil arasında elektrik akımı geçemez. Bu, ayrı yalıtım elemanları eklenmeden hiçbir tamamen metal kaplin tipinin taklit edemeyeceği benzersiz bir özelliktir.
Pratikte, bu elektriksel izolasyon, metal kaplin kullanan sürücü sistemlerinde düzenli olarak meydana gelen bir dizi enkoder arızasını ortadan kaldırır: enkoderde erken yatak arızası, indüklenen gürültü nedeniyle bozulan çıkış ve enkoder muhafazasının içindeki CMOS devrelerinde elektrostatik deşarj hasarı.
Körük tipi kaplinlerin Oldham tipi kaplinlerin yerini neden alamayacağı burada açıklanmıştır.
Körük tipi kaplinler de sıfır boşlukludur ve enkoder bağlantılarında yaygın olarak kullanılır. Bununla birlikte, bu uygulamada kritik bir zayıflıkları vardır: yanal şaft kayması olduğunda enkoderin iç yataklarına radyal reaksiyon kuvvetleri iletirler.
Enkoder ve çözücü yatakları tipik olarak minyatür hassas yataklardır; 10 mm veya daha küçük iç çapa sahip 6900 veya 6800 serisi derin oluklu bilyalı rulmanlardır. Bu yataklar, rotorun eksenel konumunu korumak için enkoder üreticisi tarafından uygulanan eksenel ön yükü taşımak üzere tasarlanmıştır. Önemli radyal yükleri taşımak üzere tasarlanmamışlardır.
0,3 mm yanal ofsete sahip bir körüklü kaplin, enkoder miline birkaç Newton'luk radyal geri yükleme kuvveti uygular. Birkaç Newton'luk eksenel ön yükleme için derecelendirilmiş bir enkoder yatağında, bu radyal kuvvet yatak ömrünü önemli ölçüde azaltır; potansiyel olarak on binlerce saatten birkaç yüz saate kadar düşürebilir. Ayrıca, kaplinin enkoder rotorunu döndürmek için aşması gereken sürtünme torkunu da artırır; bu da bazı enkoder tiplerinde hıza bağlı açı hatalarına neden olabilir.
Oldham kaplin, yanal sapmadan bağımsız olarak, enkoder yataklarına esasen sıfır radyal kuvvet uygular. Sapma tamamen kayar disk tarafından emilir ve enkoder yatakları yalnızca tasarlanmış ön yüklemeyi görür. Bu nedenle enkoder üreticileri, ürünleri için sürekli olarak Oldham kaplinlerini veya aynı kayar disk prensibiyle çalışan kaplinleri önermektedir.
Düşük Atalet: Kodlayıcı Tepki Doğruluğunu Koruma
Bağlantı ataleti, enkoder rotorunun ve şaftının ivmelenmesi ve yavaşlaması gereken atalete doğrudan eklenir. Yüksek bant genişliğinde çalışan bir servo sistemde — doğrusal bir kademede 10 m/s² veya daha fazla eksen ivmesi, enkoder şaftında saniyede binlerce derece kareye karşılık gelir — yüksek ataletli bir bağlantı, şaft hareketi ile enkoderin bildirdiği konum arasında alçak geçiş filtresi görevi görür.
Hafif alüminyum göbekleri ve küçük polimer diskleriyle minyatür Oldham kaplinleri, aynı delik çapı aralığındaki sıfır boşluklu kaplin tipleri arasında en düşük atalet değerlerinden birine sahiptir. Enkoder uygulamaları için, 0,1 ila 1,0 g·cm² aralığındaki kaplin atalet değerleri tipiktir; bu değerler, yüksek servo bant genişliklerinde bile enkoder tepki doğruluğu üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye sahip olacak kadar düşüktür.
Belirli Uygulama Senaryoları
Motor mili ile harici enkoder arası (çift geri besleme): Yüksek performanslı servo sistemler bazen, motora monte edilmiş enkoderin yanı sıra, doğrudan yük tarafına (örneğin, bilyalı vidanın ucuna) monte edilmiş ikinci bir enkoder kullanır. Oldham kaplin, bilyalı vida milini bu yük tarafı enkoderine bağlayarak, vida ekseni ile enkoder merkez çizgisi arasındaki yanal sapmayı telafi eder ve çift geri besleme kontrolünü anlamlı kılan temiz, boşluksuz sinyali sağlar.
Döner tabla ile açı kodlayıcı arası bağlantı: Yüksek hassasiyetli döner tablalar, tablanın çıkış miline doğrudan monte edilmiş büyük çaplı bir açı kodlayıcı (örneğin Heidenhain RON veya SICK HIPERFACE cihazı) kullanır. Tabla yatak mili ile kodlayıcı girişi arasındaki bağlantı, burulma esnekliğini önleyecek kadar sağlam olmalı ve kodlayıcıya yük bindirmeden yatak sisteminin termal ve mekanik salınımını absorbe etmelidir. 20-50 mm iç çap aralığındaki minyatür Oldham kaplinleri bu işlevi görür.
Şanzıman çıkışından konum kodlayıcıya: Birçok endüstriyel robot, döner aktüatör ve indeksleme tahrik sistemi, yük konumunu doğrudan ölçmek için motor girişinde değil, şanzıman çıkış milinde bir enkoder kullanır. Şanzıman mili ile enkoder arasındaki kaplin, şanzıman çıkış yatağının açısal ve yanal salınımını tolere etmelidir; Oldham kaplini bu işlevi standart yanal ofset kapasitesiyle yerine getirir.
Takım tezgahlarında iş mili hızı kodlayıcısı: Torna tezgahları ve işleme merkezleri, diş açma döngüleri ve mil hızı geçersiz kılma geri bildirimi için mil hızını ölçmek amacıyla genellikle mil üzerinde bir enkoder kullanır. Mil yatakları, hassas servo yataklarına göre çok daha büyük bir radyal salınıma sahiptir; bir Oldham kaplin, enkoderi yüklemeden bu salınımı emer.
Seçim ve Kurulum Kılavuzu
Kodlayıcı ve çözücü uygulamaları için, seçimde genellikle aşağıdaki parametreler belirleyici rol oynar:
- Delik çapları: Tahrik mili çapını (motor veya makine mili) ve tahrik edilen mil çapını (enkoder mili - standart endüstriyel enkoderler için genellikle 6, 8 veya 10 mm) eşleştirin. Birçok minyatür Oldham kaplininde her göbekte farklı delik çaplarına izin verilir.
- Tork değeri: Enkoder uygulamaları çok az tork gerektirir; çoğu endüstriyel enkoder için tipik olarak 0,05 ila 0,5 Nm arasındadır. Hemen hemen her minyatür Oldham kaplin bu ölçüt için fazlasıyla yeterli olacaktır; seçim genellikle tork kapasitesinden ziyade delik boyutu ve atalet ile belirlenir.
- Yanal öteleme kapasitesi: Makinenin kullanım ömrü boyunca termal ve mekanik sapmalara karşı tolerans payı bırakmak için, azami nominal sapması beklenen montaj sapmasının en az iki katı olan bir kaplin belirtin.
- Göbek stili: Enkoder bağlantıları için kelepçeli göbekler şiddetle tercih edilir. Sıfır boşluk gereksinimi göbek-mil arayüzüne kadar uzanır: titreşim altında göbekte mikro kaymaya izin veren bir ayar vidası, enkoder çıkışında konum gürültüsüne neden olur.
Montaj sırasında en önemli adım, kaplinin motor mili ile enkoder mili arasında eksenel sıkıştırma altında kalmadığını doğrulamaktır. Eksenel sıkıştırma, disk çıkıntılarını göbek yuvası uçlarına doğru iterek, eksenel kuvveti enkoderin yataklarına ileten sert bir durdurma noktası oluşturur. Doğru montajda, göbekler son konumlarına sıkıştırıldığında disk ile her bir göbek yüzü arasında küçük bir eksenel boşluk (tipik olarak 0,5 ila 1,0 mm) bulunur.
Çözüm
Oldham kaplin, enkoder ve çözücü bağlantıları için sadece bir seçenek değil; bu uygulamaların büyük çoğunluğu için teknik olarak üstün bir tercihtir. Sıfır boşluk payı, geri besleme döngülerindeki konumsal ölü bölgeleri ortadan kaldırır. Polimer merkez diski, hassas enkoder elektroniğini şaft voltajından ve yatak akımlarından koruyan elektriksel izolasyon sağlar. Kayar disk mekanizması, enkoderin minyatür yataklarını yüklemeden yanal sapmayı emer. Ve düşük ataleti, enkoder sisteminin tam bant genişliğini korur. Başka hiçbir standart kaplin tipi, bu dört özelliği tek bir kompakt pakette birleştirmez.
Sitemizi inceleyin. minyatür Oldham bağlantı serisi kodlayıcı ve çözümleyici uygulamaları için veya mühendislik ekibimizle iletişime geçin. Seçim yardımı için.
