Lineare Bewegung ist für bewegliche Maschinen unerlässlich; Es transportiert Werkzeuge und Produkte effizient und steuerbar. Die Mechanismen, die eine lineare Bewegung erzeugen, werden im Allgemeinen nach axialer Geschwindigkeit und Beschleunigung, Axialkräften gegenüber Strukturvolumen, Lebensdauer, Steifigkeit und Positioniergenauigkeit eingestuft.
Zwei gängige Linearsysteme sind Linearmotoren und Kugelumlaufspindelantriebe. Zahnstangenantriebe werden oft als Technologie der vergangenen Generation mit begrenzter Positioniergenauigkeit übersehen., Diese Annahme ist jedoch ungültig.
Präzisionsgeschliffene Montageflächen durch enge Toleranzen, verschleißfeste Oberflächenbehandlungen, individuell entgratete Zahnradzähne und kompakte, massereiche Konstruktionen steigern die Leistung. Tatsächlich sind Zahnstangenantriebe im Vergleich zu Linearmotoren sowie Rollen-oder Bodengewinde-Kugelumlaufspindeln günstig.
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Zahnstangensysteme der neuen Generation bieten hohe dynamische Leistung und unbegrenzte Fahrstrecke. Einige enthalten Premium-Servogears und Aktuatoren mit einem Spiel von weniger als 1 arc-min., Wirkungsgrad bis 98,5%, und weit kompaktere Größen als Standard-Servomotor-Getriebe-Kombinationen. Einige vormontierte Zahnritzeleinheiten können sogar bis zu 10 µm laufen, für Sicherheit und sanfte Bewegung.,
Typische Zahnstangenanwendungen umfassen Portal -, Transport-und Verpackungsmaschinen, die von wenigen Pfund bis zu mehreren Tonnen tragen. Zahnstangensätze der nächsten Generation werden auch in Holzbearbeitungs -, Hochgeschwindigkeits-Metallschneid-und Montagemaschinen eingesetzt.
Geometrie und Oberflächendetails
Zahnstangenleistung hat sich mit allgemeinen technologischen Fortschritten verbessert. Zum Beispiel haben hochmoderne Bearbeitung und Schleifen die Zahnstangenpräzision erheblich verbessert.,
Insbesondere werden einige Premium-Rackstücke für einen kumulativen Pitch-Fehler ±12 µm über eine Länge von 500 mm lasergeätzt, wodurch die Zielgenauigkeit von Hand ausgewählt werden kann. Dies ist nützlich für die parallele Anpassung von Rackstücken für Portalanwendungen mit zwei Antrieben. Tatsächlich ermöglicht dieses Präzisionsniveau den Betrieb mehrerer Arten von Maschinen ohne externe Rückkopplungsgeräte; Im Gegensatz dazu erfordern andere lineare Systeme teure externe Rückkopplungsgeräte für die Kommutierung und Positionierung.,
Für leiseren Lauf bei höheren Drehzahlen und eine höhere Tragfähigkeit aufgrund des höheren Zahnkontaktverhältnisses wird ein Spiralgestell mit optimiertem Wendelwinkel bevorzugt. Single-Pitch-Fehler zwischen Spiralzähnen kann 3 µm erreichen. Eine Ritzelprofilverschiebung oder Zusatzmodifikation verhindert eine Unterschneidung; Es gleicht auch Biegespannungen aus, für eine höhere Tragfähigkeit. Das Stirnradgetriebe greift sanft und leise ein — was beispielsweise bei der Bearbeitung von Teilen mit fester Toleranz zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit beiträgt.
Schmierung ist der Schlüssel
Zahnstangensätze halten bei richtiger Schmierung am längsten., Entsprechend gefettete Sätze sind auch am besten in der Lage, die höchste Nenndrehzahl zu erreichen. Für viele Zahnstangensysteme ist die gebräuchlichste Methode ein automatischer Schmierkit oder eine Schmiervorrichtung. Diese Geräte sind in verschiedenen Größen oder Volumina erhältlich und werden elektronisch gesteuert.
Es können verschiedene Einstellungen gewählt werden, um die Fettmenge zu steuern, die über die Zeit fließt — abhängig vom Bewegungszyklus von Zahnstange und Ritzel. Ein geladener Kanister hält den Druck aufrecht, wenn er nicht benutzt wird; Das Schließen eines Zweileiterschalters aktiviert den Durchfluss.,
Das Fett wandert durch einen Schlauch in ein hohles Schmierritzel, ein Filzgetriebe mit radialen Löchern, bei dem das Fett entweder durch die Löcher auf die Zahnstange oder das Ritzel aufgetragen wird. Hier bestimmt die Konstruktion, welche Hälfte des Sets aktiv gefettet wird: Durch das Schmieren des Racks für eine Hochgeschwindigkeitsanwendung kann beispielsweise verhindert werden, dass Fett weggeschleudert wird.
In jedem Fall kann die richtige Menge an Fett, die für die Anwendung benötigt wird, automatisch und genau aufgetragen werden, für wenig Wartung.
Zahnstangenintegration
Montagemöglichkeiten für Zahnstangensätze sind reichlich vorhanden., Einige Racks verwenden spezielle Montageflächen, um die Genauigkeit zu gewährleisten, während andere auch bei der Grundinstallation eine geeignete Leistung liefern. Die inhärente Flexibilität des Designs kann für eine bessere Steuerung genutzt werden: Im Gegensatz zu Linearmotoren mit Direktantrieb ermöglichen Zahnstangensätze Anpassungen der Ritzelgröße, der Übersetzungsverhältnisse und der Dämpfung, um die Regelung im geschlossenen Kreislauf zu stabilisieren.
Es gibt Fallstricke: Wenn Ritzel und Zahnstange zu weit voneinander entfernt sind, kommt es zu einem Spiel, das die Präzision beeinträchtigt., Eine kompromittierte oder falsch ausgerichtete Montage kann auch die Getriebelager beschädigen — was zu höheren Motorstrombedingungen, Geräuschen und sogar zum Ausfall führt. Für beste Leistung sollte ein Ritzel für viele Anwendungen ordnungsgemäß von der Zahnstange entfernt, auf einer ebenen Fläche und senkrecht zum Getriebe auf etwa 25 µm montiert werden.
Fortschritte im Zahnstangengetriebe und der Rückgang der Servotechnologiepreise bedeuten, dass Servomotoren normalerweise mit Zahnstangensystemen gekoppelt sind. Schrittmotoren sind eine praktikable Option, Servomotoren werden jedoch aufgrund ihrer Präzision bevorzugt.,
Vorspannung
Manchmal sind Zahnstangensätze vorbelastet, um Spiel zu vermeiden und die Steifigkeit zu erhöhen. Hier laufen zwei Ritzel auf demselben Gestell. Ein Master-Ritzel treibt den Mechanismus wie in einer üblichen Einrichtung an; Währenddessen kann ein Slave-Ritzel Drehmoment erzeugen, um eine entgegengesetzte Kraft auf die Zähne auszuüben, die es einrastet. Auf diese Weise verhindern Trägheit und Widerstand ein Spiel, auch bei Lastwechseln; Die Steifigkeit des Systems nimmt ebenfalls zu und steigert die Steuerdynamik.
Wenn die Komponenten richtig ausgewählt sind, gibt es keine wesentlichen Nachteile beim Vorladen eines Zahnstangensystems., Andererseits kann eine mechanische Vorspannung die allgemeine Maschinensteifigkeit tatsächlich verringern. Zum Beispiel würde ein federbelastetes geteiltes Ritzel die Systemsteifigkeit senken:
Beachten Sie, dass diese traditionellen Vorspannzangen im Gegensatz zu anspruchsvolleren elektronischen Vorspannungen nicht zusammenarbeiten können.
Bei anspruchsvolleren Zahnstangensätzen wird die elektronische Vorspannung während des Stillstands des Systems maximal gehalten., Die Master – und Slave-Ritzel — beide aktiv angetrieben-drücken auf Zahnstangen in entgegengesetzte Richtungen. Wenn dann die Maschine beschleunigt wird, treibt das Master-Ritzel die Maschine vorwärts, während das Slave-Ritzel die gegnerische Kraftvorspannung ablöst. Wenn sich das System auf eine gleichmäßige Geschwindigkeit verlangsamt, kommt das Slave-Ritzel mit der Zahnflanke in Kontakt, die der vom Master-Ritzel eingenommenen entspricht.Dann fahren die beiden Ritzel in die gleiche Richtung und verhindern gleichzeitig ein Spiel.,
Wenn das System abbremst, kehrt das Slave-Ritzel schließlich zurück, um Kraft auf die gegenüberliegende Zahnflanke auszuüben, um die Last zu verlangsamen.
Zahnstangen gegen Kugelumlaufspindeln
Kugelumlaufspindeln können nicht wie Zahnstangensätze beschleunigen; noch können sie die gleichen Geschwindigkeiten beibehalten. Ihre Steifigkeit ist niedriger und weniger konstant.
Zahnstangensätze haben ein geringeres Massenträgheitsmoment und eine höhere Eigenfrequenz und Effizienz gegenüber Kugelumlaufspindeln. Es gibt weniger Komponenten, um Zeit während der Installation zu sparen., Außerdem ist die Länge unbegrenzt: Ein Ingenieur kann diese so weit ausführen, wie es der Werksraum zulässt, und die einzigen zusätzlichen Kosten sind nur das Hinzufügen zusätzlicher Rackstücke.
Kugelumlaufspindeln können erhebliche kumulative Fehler über die gesamte Verfahrlänge verursachen. Beispielsweise kann die Abweichung über vier Meter Verfahrweg für einen gewalzten Schneckenantrieb zwischen 300 und 1.700 µm variieren. Selbst Bodengewinde-Kugelumlaufspindelabweichungen über vier Meter reichen zwischen 30 und 110 µm. Bei zwei gepaarten Zahnstangensystemen beträgt der kumulative Fehler bei gleicher Verfahrlänge nur 12 bis 40 µm., Dadurch sind Zahnstangensätze auch für Portalantriebe geeignet.
Kugelumlaufspindeln haben bei Anwendungen mit langen Verfahrlängen hohe Massenträgheitsmomente, die kritische Geschwindigkeit und axiale Tragfähigkeit begrenzen; selbst vorbelastete Kugelumlaufspindeln erreichen nur 90% oder so. Solche Langhubanwendungen profitieren von einem Wechsel zu Zahnstangensätzen — mit einem Wirkungsgrad von bis zu 97%.
Angrenzende Teile wie Lager beeinflussen die Steifigkeit der Kugelumlaufspindel, Gehäusebohrungen oder Muttergehäuse, was es schwierig macht, ein stabiles Systemverhalten unter Dynamik sicherzustellen., Eine Abweichung der Spindelsteifigkeit in Abhängigkeit von der Mutterposition über die Spindellänge führt zu diesem Problem.
Zahnstangenantriebe bieten dagegen eine konstante Steifigkeit über die gesamte Verfahrlänge sowie ein gutes Systemverhalten-für ein überlegenes Regelsystemverhalten. Schließlich erlauben Kugelumlaufspindeln im Gegensatz zu Zahnstangensystemen nur einen Träger pro Linearachse und sind nicht für Kurzhubanwendungen geeignet. Warum? Schmieren Nachfrage diktiert, dass nur einige Kugeln durch die Mutter zirkulieren.,
Zahnstangen im Vergleich zu Linearmotoren
Zahnstangensysteme können im Vergleich zu Linearmotoren eine ähnliche Leistung bieten, jedoch zu weit geringeren Kosten. Sie sind kleiner und ermöglichen ein kompakteres, weniger komplexes Maschinendesign. Das Fehlen magnetischer Kräfte verringert die Notwendigkeit von Stützstrukturen, hohe Normalkräfte zu absorbieren, erheblich, so dass Standardführungsschienen verwendet werden können. Linearmotoren haben einen Gesamtwirkungsgrad von 90% – wenn auch manchmal deutlich niedriger. Aufgrund dieser inhärenten Ineffizienz benötigen Linearmotoren häufig eine Wasserkühlung.,
Im Vergleich dazu benötigen Zahnstangen und Ritzel keine Abdeckung; Das Führungssystem kann metallischen Partikeln ausgesetzt werden, und die Sicherheitseinschränkungen sind minimal. Bessere Zahnstangensätze erfordern auch keine teuren Linearskalen und externen Bremsen; Standardmotorrückkopplungsgeräte und Bremsen reichen aus.
In vielen Fällen erfordern Linearmotoren eine komplette Maschinenumgestaltung — teilweise, weil riesige Normalkräfte aus der Anziehung zwischen Primär-und Sekundärmotoren weitreichende Folgen haben., Eine einfachere Option, einbaufertige Zahnstangensysteme erleichtern die Blindmontage für zusätzliche Kosteneinsparungen — und verkürzen die Montagezeit auf etwa 10 Minuten pro Meter Verfahrlänge.
Für weitere Informationen rufen Sie (888) 534-1222 an oder besuchen Sie wittenstein-us.com. Wittenstein bietet auch kostenlose Trainings-Webinare an. Klicken Sie auf der Website auf Tech Support und dann auf Webinare, um sich anzumelden.
Sidebar Quick history lesson
Mechanische Linearbewegungsgeräte — auf denen Zahnstangensätze basieren-stammen aus der Erfindung des Rades im alten Mesopotamien., Um 1100 v. Chr. begannen Assyrer, rollende Holzplattformen zu benutzen, um sich bewegende Objekte praktischer zu machen. Nach dem Dunklen Zeitalter, während der wissenschaftlichen Revolution von 1600s, wurden die Regeln und Praktiken der alten Welten — wie die von Assyrien und seinen linearen Bewegungssystemen — studied und manchmal angenommen. Diese Phase führte den Weg zur industriellen Revolution der 1700er und 1800er Jahre, in der die ersten, grundlegendsten Zahnstangenvorrichtungen an Bedeutung erlangten.
Eine wichtige Anwendung, die Zahnstangeninnovationen ankurbelte, war der Schienenverkehr., Insbesondere in den 1800er Jahren wurden Zahnbahnen in den Vereinigten Staaten und in Europas steileren Landschaften eingesetzt. Diese Eisenbahnen verwenden Autos, die mit angetriebenen Ritzen ausgestattet sind,die ein Zahngestell zwischen den Gleisen einer Eisenbahn einrasten. Es ist ein Kraftübertragungsmechanismus, der besonders für Kletteranwendungen nützlich ist. Die erste Zahnradbahn der Welt — noch in Betrieb — ist die Mount Washington Railway, New Hampshire, die erstmals 1868 betrieben wurde. Eine weitere Zahnradbahn, die Vitznau-Rigi-Bahn in der Schweiz, eröffnete einige Jahre später.,
Moderne Materialien, Behandlungen und optimierte Fertigung machen die neuesten Zahnstangensätze in einer Vielzahl anspruchsvoller industrieller Anwendungen heute genauso gut und oft besser als elektromechanische und andere lineare Komponenten.