Хеリカльная зубчатая рейка для точных систем линейного движения

Существует много видов зубчатых колес на складе. Если применение требует большой длины, требующей множества реек, соединенных в серии, у нас есть рейки с правильно сконфигурированными краями зубьев. Они называются «реек с механически обработанными концами зубчатых колес».

Есть применения, где хеリカльная зубчатая рейка неподвижна, пока реека движется, и другие, где рейка вращается вокруг фиксированной оси, пока реека движется. Первое широко используется в транспортных системах, в то время как второе может использоваться в экструзионных системах и приложениях подъема/опускания.

Как механический элемент для преобразования вращательного в линейное движение, зубчатые рейки часто сравнивают с шарнирно-винтовыми парами. Есть плюсы и минусы. Преимущества зубчатой рейки — её механическая простота, большая грузоподъемность, отсутствие ограничения по длине и т.д. Один недостаток — люфт. Преимущество шарнирно-винтовой пары — высокая точность и меньший люфт, в то время как недостатки включают ограничение по длине из-за прогиба.

Типы реек

Зубчатые рейки и шестерни доступны в двух вариациях:

Прямые зубы имеют ось зуба параллельной оси вращения. Прямые зубы, бегущие параллельно оси шестерни. Косые зубы шестерней обеспечивают непрерывное зацепление вдоль длины зуба и часто более тихие и эффективные, чем прямые зубы, а также предлагают более высокую нагрузку для той же ширины рейки. Косые зубья шестерней напоминают прямые шестерни в плоскости вращения, но включают зубы, скрученные вдоль косоего пути в осевом направлении.

Применения

Приводы хеリカльной зубчатой рейки идеальны для широкого спектра применений, включая осевые приводы, требующие точного позиционирования и повторяемости, скользящие ворота и колонны, роботы pick & place, ЧПУ маршрутизаторы и системы перемещения материалов. Эти приводы также легко справляются с тяжелыми нагрузками и циклами работы. Обслуживаемые отрасли включают перемещение материалов, автоматизацию, автомобилестроение, авиацию, станки и робототехнику.

Линейное движение необходимо для движения машин; транспортирует инструменты и продукты эффективным и контролируемым образом. Генераторы линейного движения обычно ранжируются согласно их осевой скорости и ускорению, осевым силам против объема структуры, долговечности, жесткости и точности позиционирования.

Два популярных линейных системы — линейные двигатели и винтовые приводы. Приводы зубчатой рейки и шестерни часто упускаются как технология предыдущего поколения с ограниченной точностью позиционирования. Однако это предположение неверно.

Точно обработанные монтажные поверхности с тесными допусками, износостойкое покрытие поверхности, индивидуально обработанные зубья и легкие компактные дизайны повышают продуктивность. Фактически, приводы зубчатая рейка-шестерня сравниваются благоприятно с линейными двигателями, а также с шарнирно-винтовыми парами с валом или земным резьбовым.

Новое поколение систем зубчатая рейка-шестерня предлагает высокую динамику и неограниченные дистанции хода. Некоторые из них включают премиальные сервошестерни и актуаторы с люфтом менее 1 угловой минуты, эффективностью до 98,5% и гораздо более компактными размерами, чем стандартные серво и шестеренные комбинации. Некоторые предсобранные шестерни могут работать с точностью до 10 мкм, что обеспечивает безопасность и плавное движение.

Типичные применения зубчатая рейка-шестерня включают порталы, транспортные и упаковочные машины от нескольких фунтов до нескольких тонн. Новое поколение комплектов реек также используется в станках для деревообработки, высокоскоростных металлорежущих станках и сборочных машинах.

Геометрия и детали поверхности

Производительность рейки улучшилась с общим технологическим прогрессом. Например, передовая обработка и шлифовка значительно повысили точность механизма зубчатая рейка-шестерня.

Более конкретно, некоторые высококачественные компоненты рейки лазерно гравируются для накопленной ошибки шага ±12 мкм на длине 500 мм, позволяя ручной выбор целевой точности. Это полезно для параллельного выравнивания компонентов рейки в двухприводных портальных применениях. Фактически, этот уровень точности позволяет нескольким типам машин работать без внешних устройств обратной связи; и другие линейные системы требуют дорогих внешних устройств обратной связи для коммутации и позиционирования.

Косая рейка с оптимизированным углом спирали предпочтительна для более тихой работы на более высоких скоростях и более высоких грузоподъемностях из-за более высокого коэффициента контакта зубьев. Ошибка одного шага между косыми зубами может достигать 3 мкм. Смещение профиля зубьев или модификация вершинки предотвращает подрез; оно также балансирует изгибающие напряжения для более высокой грузоподъемности. Косевое зацепление происходит плавно и тихо — что помогает улучшить чистоту поверхности, например, при обработке деталей с тесными допусками.

Интеграция зубчатая рейка-шестерня

Существует много вариантов монтажа комплектов реек. Некоторые рейки используют специальные монтажные поверхности для обеспечения точности, в то время как другие обеспечивают адекватную производительность даже с базовой установкой. Естественная гибкость дизайна может быть использована для лучшего управления: в отличие от прямых линейных двигателей, комплекты реек позволяют регулировать размер шестерни, передачи и демпфирования — для стабилизации замкнутого контура управления.

Есть подводные камни: слишком большой зазор шестерни и рейки вызывает игру, снижающую точность. Поврежденная или невыровненная монтажная площадка также может повредить подшипники редуктора — вызывая больший ток двигателя, шум и даже отказ. Для лучшей производительности шестерня должна быть достаточно отстоена от рейки, установлена плоско и перпендикулярно шестерне с точностью около 25 мкм для многих применений.

Прогресс в зубчатых рейках и шестернях и падение цен на сервоприводы означают, что сервоприводы обычно связываются с рейковыми системами. Шаговые двигатели — жизнеспособный вариант, но сервоприводы предпочтительны для их точности.

Преднапряжение

Иногда комплекты шестерней преднапрягаются для устранения люфта и увеличения жесткости. Здесь две шестерни движутся по одной рейке. Главная шестерня приводит механизм в действие как в нормальной конфигурации; в то же время вспомогательная шестерня может генерировать крутящий момент для приложения противодействующей силы к зубам, с которыми она в контакте. Таким образом, инерция и сопротивление предотвращают люфт, даже при изменении нагрузки; системная жесткость также увеличивается и улучшается динамика управления.

Если компоненты выбраны правильно, нет существенных недостатков в преднапряжении рейковой системы. С другой стороны, механическое преднапряжение может фактически снизить общую жесткость машины. Например, пружинно-загруженная разделенная шестерня снизит жесткость системы:

Обратите внимание, что в отличие от более сложных электронных систем преднапряжения, эти традиционные преднапряженные шестерни не могут работать вместе; одна всегда идет против другой, что слегка снижает эффективность.

В более сложных рейковых комплектах электронное преднапряжение удерживается на максимуме, пока система неподвижна. Главная и вспомогательная шестерни — обе активно приводятся — давят в зубы реек, обращенные в противоположных направлениях. Затем, когда машина ускоряется, главная шестерня приводит машину вперед, пока вспомогательная шестерня уменьшает преднапряжение противоположной силы. Когда система замедляется до постоянной скорости, вспомогательная шестерня входит в контакт со стороной зуба, соответствующей той, которая связана с главной шестерней; затем две шестерни движутся в одном направлении, предотвращая люфт.

Наконец, когда система замедляется, вспомогательная шестерня возвращается к приложению силы к противоположной стороне зуба для помощи в замедлении нагрузки.