Il movimento lineare è indispensabile per le macchine in movimento; trasporta utensili e prodotti in modo efficiente e controllabile. I meccanismi che generano movimento lineare sono generalmente classificati in base alla loro velocità assiale e accelerazione, forze assiali contro volume strutturale, vita, rigidità e precisione di posizionamento.
Due sistemi lineari comuni sono motori lineari e azionamenti a vite a sfere. Gli azionamenti a pignone e cremagliera sono spesso trascurati come tecnologia di ultima generazione con una precisione di posizionamento limitata., Tuttavia, questa ipotesi non è valida.
Superfici di montaggio a terra di precisione a tolleranze ristrette, trattamenti superficiali resistenti all’usura, denti degli ingranaggi sbavati individualmente e design compatti a bassa massa aumentano le prestazioni. Infatti, gli azionamenti a pignone e cremagliera si confrontano favorevolmente con i motori lineari e con le viti a sfere a rulli o filettati a terra.
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I sistemi a pignone e cremagliera di nuova generazione offrono elevate prestazioni dinamiche e distanze di percorrenza illimitate. Alcuni includono servogears premium e attuatori con gioco inferiore a 1 arco-min., efficienza a 98,5% e dimensioni molto più compatte che le combinazioni standard dell’servomotore-ingranaggio. Alcune unità di pignone preassemblate possono anche funzionare fino a 10 µm, per sicurezza e movimento fluido.,
Le tipiche applicazioni a pignone e cremagliera includono macchine a portale, da trasporto e da imballaggio che trasportano da pochi chili fino a diverse tonnellate. I set a pignone e cremagliera di nuova generazione vengono utilizzati anche per la lavorazione del legno, il taglio dei metalli ad alta velocità e le macchine di assemblaggio.
Geometria e dettagli della superficie
Le prestazioni a pignone e cremagliera sono migliorate con i progressi tecnologici generali. Ad esempio, la lavorazione e la rettifica all’avanguardia hanno una precisione a pignone e cremagliera notevolmente avanzata.,
Più specificamente, alcuni pezzi premium rack sono incisi al laser per errore cumulativo di passo ±12 µm su una lunghezza di 500 mm, che consente la selezione manuale della precisione del bersaglio. Ciò è utile per abbinare i pezzi dello scaffale in parallelo, per le applicazioni del cavalletto dell’doppio azionamento. In effetti, questo livello di precisione consente a diversi tipi di macchine di funzionare senza dispositivi di retroazione esterni; al contrario, altri sistemi lineari richiedono costosi dispositivi di retroazione esterni per la commutazione e il posizionamento.,
Un rack elicoidale con un angolo di elica ottimizzato è preferito per un funzionamento più silenzioso a velocità più elevate e una maggiore capacità di carico grazie al rapporto di contatto dei denti più elevato. L’errore a passo singolo tra i denti elicoidali può raggiungere i 3 µm. Uno spostamento del profilo del pignone o la modifica dell’addendum impedisce il sottosquadro; equilibra anche le sollecitazioni di flessione, per una maggiore capacità di carico. Ingranaggi elicoidali si impegna in modo fluido e silenzioso — che aiuta a migliorare la finitura superficiale, per esempio, durante la lavorazione di parti a tolleranza stretta.
La lubrificazione è la chiave
I set a pignone e cremagliera durano più a lungo se lubrificati correttamente., Opportunamente ingrassati set sono anche più in grado di raggiungere la massima velocità nominale. Per molti sistemi a pignone e cremagliera, il metodo più comune è un kit di lubrificazione automatica o un dispositivo di ingrassaggio. Questi dispositivi sono disponibili in varie dimensioni o volumi e sono controllati elettronicamente.
È possibile selezionare diverse impostazioni per controllare la quantità di grasso che scorre nel tempo, in base al ciclo di movimento della cremagliera. Una bombola carica mantiene la pressione quando non in uso; chiudendo un interruttore a due fili attiva il flusso.,
Il grasso passa attraverso un tubo flessibile in un pignone cavo di ingrassaggio, un ingranaggio in feltro con fori radiali in cui il grasso viene applicato alla cremagliera o al pignone attraverso i fori. Qui, il design determina quale metà del set viene ingrassata attivamente: ad esempio, la lubrificazione del rack per un’applicazione ad alta velocità può impedire che il grasso venga gettato via.
In ogni caso, la corretta quantità di grasso necessaria per l’applicazione può essere applicata automaticamente e con precisione, per poca manutenzione.
Integrazione rack e pignone
Le opzioni di montaggio abbondano per i set rack e pignone., Alcuni rack utilizzano superfici di montaggio speciali per garantire la precisione, mentre altri offrono prestazioni adeguate anche con l’installazione di base. La flessibilità intrinseca del design può essere sfruttata per un controllo migliore: a differenza dei motori lineari a guida diretta, i set a pignone e cremagliera consentono regolazioni in termini di dimensioni del pignone, rapporti di trasmissione e smorzamento — per stabilizzare il controllo a circuito chiuso.
Ci sono delle insidie: mettere i denti del pignone e del rack troppo distanti provoca un gioco, che degrada la precisione., Il montaggio compromesso o disallineato può anche danneggiare i cuscinetti del cambio, causando un maggiore assorbimento di corrente del motore, rumore e persino guasti. Per ottenere le migliori prestazioni, un pignone deve essere adeguatamente distanziato dal rack, montato su una superficie piana e perpendicolare al cambio entro circa 25 µm per molte applicazioni.
I progressi negli ingranaggi a pignone e cremagliera e la diminuzione dei prezzi delle servotecnologie significano che di solito i servomotori sono abbinati a sistemi a pignone e cremagliera. I motori passo-passo sono un’opzione praticabile, ma i servomotori sono preferiti per la loro precisione.,
Precarico
A volte, i set di pignoni e cremagliera vengono precaricati per eliminare il gioco e aumentare la rigidità. Qui, due pignoni corrono sullo stesso rack. Un pignone master aziona il meccanismo come in una configurazione usuale; nel frattempo, un pignone slave può generare coppia per applicare una forza opposta ai denti che impegna. In questo modo, l’inerzia e la resistenza impediscono il gioco, anche durante i cambi di carico; aumenta anche la rigidità del sistema e aumenta la dinamica di controllo.
Se i componenti sono selezionati correttamente, non ci sono inconvenienti significativi nel precaricare un sistema a pignone e cremagliera., D’altra parte, il precarico meccanico può effettivamente ridurre la rigidità complessiva della macchina. Ad esempio, un pignone diviso a molla abbasserebbe la rigidità del sistema:
Si noti che a differenza del precarico elettronico più sofisticato, questi pignoni di precarico tradizionali non possono funzionare insieme; uno si oppone sempre all’altro, il che riduce leggermente l’efficienza.
Nei più sofisticati set a pignone e cremagliera, il precarico elettronico viene mantenuto al massimo mentre il sistema è fermo., I pignoni master e slave — entrambi alimentati attivamente-spingono i denti del rack rivolti in direzioni opposte. Quindi, quando la macchina accelera, il pignone master spinge la macchina in avanti, mentre il pignone slave facilita il precarico della forza opposta. Quando il sistema rallenta a una velocità costante, il pignone slave viene a contatto con il fianco del dente equivalente a quello impegnato dal pignone master; quindi i due pignoni guidano nella stessa direzione, evitando comunque il gioco.,
Infine, quando il sistema decelera, il pignone schiavo ritorna ad applicare forza sul fianco del dente opposto, per aiutare a rallentare il carico.
Viti a ricircolo di sfere
Le viti a ricircolo di sfere non possono accelerare come le viti a ricircolo di sfere; né possono mantenere le stesse velocità. La loro rigidità è inferiore e meno costante.
I set a pignone e cremagliera hanno un momento di inerzia di massa inferiore e una maggiore frequenza ed efficienza naturale rispetto alle viti a sfere. Ci sono meno componenti per risparmiare tempo durante l’installazione., Inoltre, la lunghezza è illimitata: un ingegnere può eseguirli per quanto lo spazio di fabbrica lo consentirà, e l’unico costo aggiuntivo è solo quello di aggiungere ulteriori pezzi di rack.
Le viti a sfere possono eseguire errori cumulativi significativi sulla lunghezza totale della corsa. Ad esempio, la deviazione su quattro metri di corsa per un azionamento a vite laminata può variare tra 300 e 1.700 µm. Anche la deviazione della vite a sfere del filo di terra su quattro metri varia tra 30 e 110 µm. Con due sistemi a pignone e cremagliera accoppiati, l’errore cumulativo per la stessa lunghezza di corsa è di soli 12-40 µm., Ciò rende gli insiemi della cremagliera adatti anche agli azionamenti del cavalletto.
Per applicazioni con lunghe lunghezze di corsa, le viti a sfere hanno momenti di inerzia di massa elevati che limitano la velocità critica e la capacità di carico assiale; anche l’efficienza della vite a sfere precaricata raggiunge solo il 90% circa. Tali applicazioni a corsa lunga beneficiano di un interruttore a set di pignoni e cremagliera – con efficienza al 97%.
Le parti adiacenti come i cuscinetti influenzano la rigidità delle viti a sfere, i fori di alloggiamento o gli alloggiamenti dei dadi, rendendo difficile garantire un comportamento stabile del sistema in dinamica., La deviazione della rigidità del mandrino a seconda della posizione del dado sulla lunghezza del mandrino comporta questo problema.
Al contrario, gli azionamenti a pignone e cremagliera offrono una rigidità costante su tutta la lunghezza della corsa e un buon comportamento del sistema, per un comportamento del sistema di controllo superiore. Infine, a differenza dei sistemi a pignone e cremagliera, le viti a sfere consentono solo un supporto per asse lineare e non sono adatte per applicazioni a corsa corta. Perché? La domanda di ingrassaggio impone che solo alcune palle circolino attraverso il dado.,
Motore lineare a pignone e cremagliera
Rispetto ai motori lineari, i sistemi a pignone e cremagliera possono offrire prestazioni simili ma a costi molto inferiori. Sono più piccoli, consentendo un design della macchina più compatto e meno complesso. L’assenza di forze magnetiche riduce notevolmente la necessità di strutture di supporto per assorbire elevate forze normali, quindi è possibile utilizzare guide di guida standard. I motori lineari hanno un’efficienza complessiva del 90%, anche se a volte è notevolmente inferiore. A causa di questa inefficienza intrinseca, i motori lineari spesso richiedono il raffreddamento ad acqua.,
In confronto, cremagliera e pignoni non hanno bisogno di copertura; il sistema di guida può essere esposto a particelle metalliche, e le restrizioni di sicurezza sono minime. I migliori set a pignone e cremagliera non richiedono costose scale lineari e freni esterni; i dispositivi di feedback del motore standard e i freni sono sufficienti.
In molti casi, i motori lineari richiedono una riprogettazione completa della macchina, in parte perché enormi forze normali derivanti dall’attrazione tra primario e secondario hanno conseguenze di vasta portata., Un’opzione più semplice, i sistemi pronti per il montaggio a pignone e cremagliera facilitano il montaggio cieco per ulteriori risparmi sui costi e riducono i tempi di montaggio a circa 10 minuti per metro di lunghezza di viaggio.
Per ulteriori informazioni, chiamare il numero (888) 534-1222 o visitare wittenstein-us.com. Wittenstein offre anche webinar di formazione gratuiti. Sul sito web, fare clic su Supporto tecnico e poi Webinar per iscriversi.
Sidebar Lezione di storia rapida
I dispositivi meccanici di movimento lineare — su cui si basano i set di pignoni e cremagliera-risalgono all’invenzione della ruota nell’antica Mesopotamia., Intorno al 1100 AC, gli assiri iniziarono a usare piattaforme di tronchi rotolanti per rendere più pratici gli oggetti in movimento. Dopo il Medioevo, durante la Rivoluzione scientifica del 1600, le regole e le pratiche dei mondi antichi — come quelli dell’Assiria e dei suoi sistemi di movimento lineare-furono studite e talvolta adottate. Questa fase ha aperto la strada alla rivoluzione industriale del 1700 e del 1800, durante la quale i primi dispositivi rack-and-pinion più basilari sono venuti alla ribalta.
Una delle principali applicazioni che ha stimolato l’innovazione a pignone e cremagliera è stato il transito ferroviario., Più specificamente, nel 1800, le ferrovie a cremagliera furono messe in uso negli Stati Uniti e nei paesaggi più ripidi d’Europa. Queste ferrovie fanno uso di auto dotate di pignoni alimentati che impegnano una cremagliera dentata installata tra i binari di una ferrovia. È un meccanismo di trasmissione di potenza che è particolarmente utile per le applicazioni di arrampicata. La prima ferrovia a cremagliera al mondo — ancora in funzione — è la Mount Washington Railway, New Hampshire, operata per la prima volta nel 1868. Un’altra ferrovia a cremagliera, la Vitznau-Rigi-Bahn in Svizzera, aprì alcuni anni dopo.,
Oggi, i materiali moderni, i trattamenti e la produzione ottimizzata rendono i più recenti set a pignone e cremagliera altrettanto performanti e spesso migliori dei componenti elettromeccanici e di altri componenti lineari in una miriade di applicazioni industriali impegnative.