Trong tất cả các vị trí mà khớp nối Oldham xuất hiện trong hệ thống điều khiển chuyển động, không nơi nào đòi hỏi khắt khe hơn — hoặc thể hiện rõ hơn những ưu điểm độc đáo của khớp nối — hơn là kết nối giữa trục quay và thiết bị phản hồi quay như bộ mã hóa gia tăng, bộ mã hóa tuyệt đối hoặc bộ giải mã. Các thiết bị này chuyển đổi vị trí góc của trục thành tín hiệu điện, và chất lượng của tín hiệu đó phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng của khớp nối cơ khí giữa trục và rôto đầu vào của thiết bị. Một khớp nối có độ rơ, độ đàn hồi hoặc ảnh hưởng của tải trọng ổ trục sẽ làm suy giảm tín hiệu theo những cách lan truyền khắp toàn bộ hệ thống điều khiển.
Bài viết này giải thích lý do tại sao khớp nối Oldham — đặc biệt là ở dạng thu nhỏ — đã trở thành tiêu chuẩn cho các kết nối trục bộ mã hóa và bộ giải mã trong các hệ thống chuyển động chính xác trên toàn thế giới.
Bộ mã hóa và bộ giải mã thực sự đo lường điều gì?
Bộ mã hóa quay (rotary encoder) hay bộ giải mã (resolver) về cơ bản là một bộ chuyển đổi: nó chuyển đổi vị trí góc của trục thành tín hiệu điện mà bộ điều khiển chuyển động có thể hiểu được. Bộ mã hóa gia tăng (incremental encoder) tạo ra một chuỗi xung với số xung xác định trên mỗi vòng quay; bộ điều khiển đếm xung để xác định sự thay đổi vị trí tương đối. Bộ mã hóa tuyệt đối (absolute encoder) tạo ra một từ kỹ thuật số biểu thị trực tiếp vị trí góc của trục trong một vòng quay (một vòng) hoặc trên nhiều vòng quay (nhiều vòng). Bộ giải mã tạo ra một cặp điện áp hình sin có tỷ lệ biên độ mã hóa góc quay của trục.
Trong mọi trường hợp, độ chính xác của tín hiệu điện đầu ra chỉ bằng độ chính xác của tín hiệu cơ học đầu vào. Nếu khớp nối giữa trục dẫn động và trục đầu vào của bộ mã hóa gây ra bất kỳ sai số góc nào — dù nhỏ đến đâu — thì sai số đó sẽ được báo cáo cho bộ điều khiển như thể đó là chuyển động thực sự của trục. Khi đó, bộ điều khiển sẽ xử lý dữ liệu vị trí không chính xác, dẫn đến sai số định vị, dao động vận tốc hoặc sự mất ổn định trong vòng điều khiển mà không thể sửa chữa bằng phần mềm vì bộ điều khiển không biết sai số đó tồn tại.
Vấn đề phản hồi ngược trong các khớp nối phản hồi
Hãy xem xét một trục servo sử dụng bộ mã hóa gắn trên động cơ để phản hồi vị trí. Nếu khớp nối giữa trục động cơ và bộ mã hóa có độ rơ 0,1 độ, đây là những gì bộ điều khiển gặp phải ở mỗi lần đảo chiều:
Động cơ bắt đầu quay theo hướng mới. Tuy nhiên, bộ mã hóa không báo cáo bất kỳ chuyển động nào trong 0,1 độ đầu tiên vì vùng chết do độ rơ phải được vượt qua trước khi khớp nối truyền chuyển động đến rôto của bộ mã hóa. Trong vùng chết này, bộ điều khiển không nhận thấy sự thay đổi phản hồi vị trí và do đó tiếp tục ra lệnh tăng mô-men xoắn để bù lại sai số vị trí. Đến khi độ rơ được bù hết và bộ mã hóa bắt đầu báo cáo chuyển động, động cơ đã vượt quá mục tiêu một chút. Lúc này, bộ điều khiển cần đảo chiều nhẹ để hiệu chỉnh — và tại thời điểm đảo chiều đó, vùng chết 0,1 độ lại xuất hiện.
Kết quả là một chu kỳ giới hạn: một dao động nhỏ, kéo dài xung quanh vị trí mục tiêu mà bộ điều khiển không thể triệt tiêu được vì độ rơ khớp nối làm cho mô hình hệ thống bị gián đoạn. Trên bề mặt được gia công, điều này biểu hiện dưới dạng một điểm phẳng đặc trưng hoặc dấu hiệu đảo chiều. Trong một hệ thống điều khiển vận tốc, nó tạo ra gợn sóng vận tốc ở tần số đảo chiều.
Ngay cả độ rơ 0,01 độ — một lượng tưởng chừng không đáng kể — cũng có thể gây ra sự suy giảm đáng kể trong hệ thống bộ mã hóa độ phân giải cao. Bộ mã hóa 5.000 dòng có độ phân giải gốc là 0,072 độ trên mỗi xung vuông góc; độ rơ 0,01 độ tương ứng với khoảng một xung không chắc chắn về vị trí ở mỗi lần đảo chiều.
Vì sao đặc tính không có độ rơ của khớp nối Oldham lại quan trọng ở đây
Cơ cấu mộng và rãnh của khớp nối Oldham tạo ra kết nối vừa khít chắc chắn mà không có độ rơ góc. Khi trục dẫn động đảo chiều, trục bộ mã hóa sẽ ngay lập tức quay theo — trong phạm vi dung sai độ rơ cơ học của khớp nối, mà trong một khớp nối Oldham thu nhỏ chính xác, dung sai này được đo bằng giây cung, chứ không phải phút cung.
Phản hồi tức thì, không có độ trễ này có nghĩa là bộ mã hóa luôn báo cáo vị trí trục thực tế, kể cả trong quá trình đảo chiều quay. Vòng điều khiển nhận được dữ liệu phản hồi sạch, chính xác và có thể hoạt động ở băng thông được thiết kế mà không bị giới hạn chu kỳ hoặc giới hạn độ lợi do độ trễ gây ra.
Để so sánh, khớp nối kiểu ống thổi cũng không có độ rơ — nhưng như đã thảo luận bên dưới, nó có một hạn chế quan trọng trong các ứng dụng bộ mã hóa mà khớp nối Oldham không gặp phải.
Cách ly điện: Bảo vệ mạch điện tử của bộ mã hóa
Bộ mã hóa quay và bộ giải mã là những thiết bị điện tử chính xác. Các đĩa quang, cảm biến từ hoặc cuộn dây biến áp bên trong của chúng được thiết kế để hoạt động trong môi trường điện sạch. Nhiều thiết bị nhạy đến mức dòng điện rò rỉ vài miliampe chạy qua trục và vỏ bộ mã hóa có thể làm hỏng các linh kiện điện tử bên trong hoặc làm sai lệch tín hiệu đầu ra.
Trong các hệ thống truyền động bằng động cơ, trục động cơ thường có điện thế khác với điện thế đất do hiện tượng ghép nối điện dung thông qua điện dung ký sinh giữa cuộn dây và rôto của động cơ. Các bộ biến tần (VFD) và bộ khuếch đại servo sử dụng tần số chuyển mạch điều chế độ rộng xung (PWM) vài kilohertz tạo ra các dạng sóng điện áp trục đặc biệt mạnh. Nếu bộ mã hóa được kết nối điện với trục động cơ thông qua một khớp nối kim loại, các điện áp trục này có thể tạo ra dòng điện ổ trục và các xung chuyển mạch thông qua mạch điện tử nhạy cảm của bộ mã hóa.
Khớp nối Oldham với đĩa trung tâm bằng polymer cung cấp khả năng cách ly điện hoàn toàn giữa trục dẫn động và trục bộ mã hóa. Không có dòng điện nào có thể chạy giữa hai trục thông qua khớp nối vì đĩa bằng acetal hoặc nylon là chất không dẫn điện. Đây là một đặc tính độc đáo mà không có loại khớp nối hoàn toàn bằng kim loại nào có thể sao chép được nếu không bổ sung thêm các phần tử cách điện riêng biệt.
Trên thực tế, sự cách ly điện này loại bỏ toàn bộ một nhóm lỗi bộ mã hóa thường xuyên xảy ra trong các hệ thống truyền động sử dụng khớp nối kim loại — hỏng ổ bi sớm trong bộ mã hóa, tín hiệu đầu ra bị nhiễu do tiếng ồn gây ra và hư hỏng do phóng điện tĩnh điện đối với các mạch CMOS bên trong vỏ bộ mã hóa.
Vì sao khớp nối kiểu ống thổi không thể thay thế khớp nối Oldham?
Khớp nối dạng ống xếp cũng không có độ rơ và được sử dụng rộng rãi trong các kết nối bộ mã hóa. Tuy nhiên, chúng có một điểm yếu nghiêm trọng trong ứng dụng này: chúng truyền lực phản lực hướng tâm đến các ổ trục bên trong của bộ mã hóa khi có độ lệch trục ngang.
Các ổ trục của bộ mã hóa và bộ giải mã thường là các ổ trục chính xác cỡ nhỏ — ổ trục cầu rãnh sâu dòng 6900 hoặc 6800 với đường kính lỗ 10 mm hoặc nhỏ hơn. Các ổ trục này được thiết kế chỉ để chịu tải trọng hướng trục do nhà sản xuất bộ mã hóa tác dụng nhằm duy trì vị trí trục của rôto. Chúng không được thiết kế để chịu tải trọng hướng tâm đáng kể.
Khớp nối dạng ống xếp với độ lệch ngang 0,3 mm sẽ tạo ra một lực phục hồi hướng tâm vài Newton tác động lên trục bộ mã hóa. Trên ổ trục bộ mã hóa được đánh giá chịu tải trước hướng trục vài Newton, lực hướng tâm này làm giảm đáng kể tuổi thọ của ổ trục — có thể từ hàng chục nghìn giờ xuống còn vài trăm giờ. Nó cũng làm tăng mô-men xoắn ma sát mà khớp nối phải vượt qua để dẫn động rôto bộ mã hóa, điều này có thể gây ra sai số góc phụ thuộc vào vận tốc ở một số loại bộ mã hóa.
Khớp nối Oldham hầu như không tác dụng lực hướng tâm nào lên ổ trục bộ mã hóa bất kể độ lệch ngang. Độ lệch này được hấp thụ hoàn toàn bởi đĩa trượt, và ổ trục bộ mã hóa chỉ chịu tải trọng định trước theo thiết kế. Đó là lý do tại sao các nhà sản xuất bộ mã hóa luôn khuyến nghị sử dụng khớp nối Oldham — hoặc các khớp nối hoạt động dựa trên nguyên lý đĩa trượt tương tự — cho sản phẩm của họ.
Quán tính thấp: Duy trì độ chính xác phản hồi của bộ mã hóa
Quán tính của khớp nối cộng trực tiếp vào quán tính mà rôto và trục bộ mã hóa phải tăng tốc và giảm tốc. Trong một hệ thống servo hoạt động ở băng thông cao — với gia tốc trục từ 10 m/s² trở lên trên một bàn trượt tuyến tính, tương ứng với hàng nghìn độ trên giây bình phương tại trục bộ mã hóa — một khớp nối có quán tính cao hoạt động như một bộ lọc thông thấp giữa chuyển động của trục và vị trí được báo cáo của bộ mã hóa.
Các khớp nối Oldham thu nhỏ, với trục bằng nhôm nhẹ và đĩa polymer nhỏ, có giá trị quán tính thấp nhất trong số các loại khớp nối không khe hở cùng kích thước lỗ. Đối với các ứng dụng bộ mã hóa, giá trị quán tính của khớp nối trong khoảng từ 0,1 đến 1,0 g·cm² là điển hình — đủ thấp để có ảnh hưởng không đáng kể đến độ chính xác phản hồi của bộ mã hóa ngay cả ở băng thông servo cao.
Các kịch bản ứng dụng cụ thể
Từ trục động cơ đến bộ mã hóa ngoài (phản hồi kép): Các hệ thống servo hiệu suất cao đôi khi sử dụng một bộ mã hóa thứ hai được gắn trực tiếp ở phía tải (ví dụ, ở cuối trục vít bi) ngoài bộ mã hóa được gắn trên động cơ. Khớp nối Oldham kết nối trục vít bi với bộ mã hóa phía tải này, bù lại bất kỳ độ lệch ngang nào giữa trục vít và đường tâm của bộ mã hóa, đồng thời cung cấp tín hiệu sạch, không có độ trễ, giúp cho điều khiển phản hồi kép trở nên có ý nghĩa.
Bàn xoay chuyển đổi thành bộ mã hóa góc: Bàn xoay độ chính xác cao sử dụng bộ mã hóa góc đường kính lớn (như thiết bị Heidenhain RON hoặc SICK HIPERFACE) được gắn trực tiếp trên trục đầu ra của bàn. Khớp nối giữa ổ trục của bàn và đầu vào của bộ mã hóa phải đủ cứng vững để tránh biến dạng xoắn đồng thời hấp thụ độ lệch nhiệt và cơ học của hệ thống ổ trục mà không gây tải cho bộ mã hóa. Các khớp nối Oldham thu nhỏ trong phạm vi đường kính lỗ 20–50 mm đáp ứng chức năng này.
Tín hiệu đầu ra của hộp số đến bộ mã hóa vị trí: Nhiều robot công nghiệp, bộ truyền động quay và bộ truyền động định vị sử dụng bộ mã hóa trên trục đầu ra của hộp số thay vì đầu vào của động cơ để đo trực tiếp vị trí tải. Khớp nối giữa trục hộp số và bộ mã hóa phải chịu được độ lệch góc và độ lệch ngang của ổ trục đầu ra hộp số — một chức năng mà khớp nối Oldham xử lý với khả năng bù lệch ngang tiêu chuẩn của nó.
Bộ mã hóa tốc độ trục chính trên máy công cụ: Máy tiện và trung tâm gia công thường sử dụng bộ mã hóa trên trục chính để đo tốc độ trục chính cho các chu trình ren và phản hồi ghi đè tốc độ trục chính. Các ổ trục chính có độ lệch tâm hướng tâm lớn hơn nhiều so với ổ trục servo chính xác; khớp nối Oldham hấp thụ độ lệch tâm này mà không gây tải cho bộ mã hóa.
Hướng dẫn lựa chọn và lắp đặt
Đối với các ứng dụng bộ mã hóa và bộ giải mã, các thông số sau đây thường chi phối việc lựa chọn:
- Kích thước lỗ khoan: Hãy đảm bảo đường kính trục dẫn động (trục động cơ hoặc trục máy) và đường kính trục bị dẫn động (trục bộ mã hóa — thường là 6, 8 hoặc 10 mm đối với các bộ mã hóa công nghiệp tiêu chuẩn) khớp nhau. Nhiều khớp nối Oldham thu nhỏ cho phép đường kính lỗ khác nhau trên mỗi trục.
- Mô-men xoắn định mức: Các ứng dụng bộ mã hóa yêu cầu mô-men xoắn rất nhỏ — thông thường từ 0,05 đến 0,5 Nm đối với hầu hết các bộ mã hóa công nghiệp. Hầu như bất kỳ khớp nối Oldham thu nhỏ nào cũng sẽ đáp ứng tốt yêu cầu này; kích thước lỗ và quán tính thường quyết định việc lựa chọn hơn là khả năng chịu mô-men xoắn.
- Khả năng bù trừ ngang: Hãy chọn loại khớp nối có độ lệch định mức tối đa ít nhất gấp đôi độ lệch lắp đặt dự kiến, để duy trì biên độ an toàn cho sự thay đổi nhiệt và cơ học trong suốt vòng đời hoạt động của máy.
- Kiểu trung tâm: Các khớp nối dạng kẹp được ưu tiên sử dụng cho kết nối bộ mã hóa. Yêu cầu không có độ rơ cũng áp dụng cho giao diện giữa khớp nối và trục: một vít định vị cho phép khớp nối trượt nhẹ dưới tác động của rung động sẽ tạo ra nhiễu vị trí trong tín hiệu đầu ra của bộ mã hóa.
Trong quá trình lắp đặt, bước quan trọng nhất là kiểm tra xem khớp nối có bị nén dọc trục giữa trục động cơ và trục bộ mã hóa hay không. Lực nén dọc trục sẽ ép các đầu mộng của đĩa vào các đầu rãnh của moayơ, tạo ra điểm dừng cứng truyền lực dọc trục vào ổ bi của bộ mã hóa. Việc lắp đặt đúng cách sẽ có một khe hở dọc trục nhỏ — thường từ 0,5 đến 1,0 mm — giữa đĩa và mỗi mặt của moayơ khi các moayơ được siết chặt vào vị trí cuối cùng.
Phần kết luận
Khớp nối Oldham không chỉ là một lựa chọn cho kết nối bộ mã hóa và bộ giải mã — mà còn là lựa chọn vượt trội về mặt kỹ thuật cho phần lớn các ứng dụng này. Độ rơ bằng không giúp loại bỏ các vùng chết vị trí trong vòng phản hồi. Đĩa trung tâm bằng polymer cung cấp khả năng cách điện, bảo vệ các linh kiện điện tử nhạy cảm của bộ mã hóa khỏi điện áp trục và dòng điện ổ trục. Cơ chế đĩa trượt hấp thụ độ lệch ngang mà không gây tải cho các ổ trục nhỏ của bộ mã hóa. Và quán tính thấp giúp duy trì toàn bộ băng thông của hệ thống bộ mã hóa. Không có loại khớp nối tiêu chuẩn nào khác kết hợp cả bốn đặc tính này trong một gói nhỏ gọn duy nhất.
Xem trang của chúng tôi Dòng khớp nối Oldham thu nhỏ cho các ứng dụng mã hóa và giải mã, hoặc Liên hệ với đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi để được hỗ trợ lựa chọn.
