linjär rörelse är oumbärlig för att flytta maskiner; det transporterar verktyg och produkter effektivt och kontrollerbart. Mekanismerna som genererar linjär rörelse rankas i allmänhet av deras axiella hastighet och acceleration, axiella krafter kontra strukturell volym, liv, styvhet och positioneringsnoggrannhet.
två vanliga linjära system är linjära motorer och kulskruv enheter. Rack-och-pinion enheter är ofta förbises som tidigare generationens teknik med begränsad positioneringsnoggrannhet., Detta antagande är dock ogiltigt.
Precisionsjordmonteringsytor till snäva toleranser, slitstarka ytbehandlingar, individuellt utbrända kugghjulständer och kompakta, lågmassiga mönster ökar prestanda. I själva verket, rack-och-pinion enheter jämföra positivt med linjära motorer samt rulle eller jord-tråd kulskruvar.
|
ladda ner den här artikeln i .,PDF-format den här filtypen innehåller högupplösta grafik och scheman när det är tillämpligt. |
nya generationens rack-och-pinionsystem erbjuder hög dynamisk prestanda och obegränsat reseavstånd. Vissa inkluderar premium servogears och ställdon med backlash mindre än 1 arc-min., effektivitet till 98,5%, och mycket mer kompakta storlekar än standard servomotor-kugghjulskombinationer. Vissa förmonterade kugghjulsenheter kan till och med köra sant mot 10 µm, för säkerhet och jämn rörelse.,
typiska rack-och-pinion applikationer inkluderar gantry, transport och förpackningsmaskiner som bär från några pounds upp till flera ton. Nästa generations rack-and-pinion-uppsättningar används också i träbearbetning, höghastighetsmetallskärning och monteringsmaskiner.
geometri och ytdetaljer
Rack-and-pinion prestanda har förbättrats med allmänna tekniska framsteg. Till exempel, state-of-the-art bearbetning och slipning har mycket avancerad rack-and-pinion precision.,
Mer specifikt är vissa premiumrackstycken laseretsade för kumulativt stigfel ±12 µm över en 500 mm längd, vilket möjliggör handval av målnoggrannhet. Detta är användbart för att matcha rack bitar parallellt, för dual-drive gantry applikationer. Faktum är att den precisionsnivån gör att flera typer av maskiner kan köras utan externa återkopplingsanordningar. däremot kräver andra linjära system dyra externa återkopplingsanordningar för kommutation och positionering.,
ett spiralställ med en optimerad spiralvinkel är att föredra för tystare körning vid högre hastigheter och en högre lastbärande kapacitet på grund av det högre tandkontaktförhållandet. Enstaka fel mellan spiraltänder kan nå 3 µm. En pinion profil skift eller addendum modifiering förhindrar underskärning; det balanserar också böjningsspänningar, för högre lastkapacitet. Helical gearing engagerar smidigt och tyst — vilket hjälper till att förbättra ytfinish, till exempel vid bearbetning av snäva toleransdelar.
smörjning är nyckeln
Rack-och-pinion ställer senast längsta när de smörjs ordentligt., Lämpligt smorda uppsättningar är också mest kapabla att nå högsta nominella hastighet. För många rack-och pinionsystem är den vanligaste metoden en automatisk smörjsats eller smörjanordning. Dessa enheter finns i olika storlekar eller volymer och styrs elektroniskt.
olika inställningar kan väljas för att styra mängden fett som strömmar över tiden — beroende på rörelsecykeln för rack och pinion. En laddad Behållare upprätthåller trycket när den inte används; stängning av en tvåtrådsbrytare aktiverar flödet.,
fettet färdas genom en slang in i en ihålig smörjningspinion, ett filtväxel med radiella hål där fettet appliceras på antingen stället eller drevet genom hålen. Här bestämmer designen vilken halva uppsättningen som smörjs aktivt: till exempel kan smörjning av stället för en höghastighetsapplikation förhindra att fett flungas bort.
i vilket fall som helst kan den korrekta mängden fett som krävs för applikationen appliceras automatiskt och korrekt, för lite underhåll.
Rack-and-pinion integration
monteringsalternativ finns i överflöd för rack-and-pinion uppsättningar., Vissa rack använder speciella monteringsytor för att säkerställa noggrannhet, medan andra ger lämplig prestanda även med grundläggande installation. Konstruktionens inneboende flexibilitet kan utnyttjas för bättre kontroll: till skillnad från direkta drivande linjära motorer tillåter rack-and-pinion uppsättningar justeringar i kugghjulsstorlek, utväxlingsförhållanden och dämpning — för att stabilisera sluten slinga kontroll.
det finns fallgropar: att sätta pinion och racktänder för långt ifrån varandra orsakar backlash, vilket försämrar precisionen., Komprometterad eller feljusterad montering kan också skada växellådslager-vilket orsakar högre motorströmdragningar, buller och till och med fel. För bästa prestanda bör en kugghjul vara ordentligt distanserad från racket, monterad på en plan yta och vinkelrätt mot växellådan till inom ca 25 µm för många applikationer.
framsteg inom rack-och-pinion-växling och minskningen av servoteknikpriserna innebär att servomotorer vanligtvis är parade med rack-och pinionsystem. Stegmotorer är ett lönsamt alternativ, men servomotorer föredras för deras precision.,
förspänning
ibland förinstalleras rack-and-pinion-uppsättningar för att eliminera backlash och öka styvheten. Här kör två pinioner på samma rack. En master pinion Driver mekanismen som i en vanlig inställning; under tiden kan en slavpinion generera vridmoment för att applicera en motsatt kraft på tänderna som den engagerar. På detta sätt förhindrar tröghet och motstånd bakslag, även under belastningsförändringar; systemets styvhet ökar också och ökar kontrolldynamiken.
om komponenterna väljs korrekt finns det inga signifikanta nackdelar med att förinstallera ett rack-and-pinion-system., Å andra sidan kan mekanisk förspänning faktiskt minska den totala maskinstyvheten. Till exempel skulle en fjäderbelastad split pinion Sänka systemets styvhet:
Observera att till skillnad från mer sofistikerad elektronisk förladdning kan dessa traditionella förspänningspinioner inte fungera tillsammans; man motsätter sig alltid den andra, vilket minskar effektiviteten något.
i mer sofistikerade rack-and-pinion uppsättningar, elektronisk förspänning hålls till sitt maximum medan systemet är fortfarande., Mästaren och slavpinionerna — båda aktivt drivna-trycker på racktänder vända i motsatta riktningar. Sedan när maskinen accelererar, Driver huvudpinionen maskinen framåt, medan slavpinionen lättar av motsatt kraftförspänning. När systemet saktar ner till en stadig hastighet, kommer slavpinionen att kontakta tandflanken som motsvarar den som är förlovad av mästarens pinion; då kör de två pinionerna i samma riktning, samtidigt som man förhindrar backlash.,
slutligen, när systemet decelererar, återgår slavpinionen till att applicera kraft på den motsatta tandflänsen för att hjälpa till att sakta ner belastningen.
Rack-and-pinion kontra kulskruvar
kulskruvar kan inte accelerera som rack-and-pinion uppsättningar; inte heller kan de upprätthålla samma hastigheter. Deras styvhet är lägre och mindre konstant.
Rack-and-pinion-uppsättningar har lägre massmoment av tröghet och högre naturlig frekvens och effektivitet över kulskruvar. Det finns färre komponenter för att spara tid under installationen., Dessutom är längden Obegränsad: en ingenjör kan köra dessa så långt som fabriksutrymmet tillåter, och den enda extra kostnaden är bara att lägga till ytterligare bitar av rack.
kulskruvar kan köra upp betydande kumulativa fel över Total reselängd. Till exempel kan avvikelse över fyra meter resa för en valsad skruvdrift variera mellan 300 och 1700 µm. Även jord-tråd kulskruv avvikelse över fyra meter varierar mellan 30 och 110 µm. Med två parade rack-och-pinion-system är kumulativt fel för samma reselängd endast 12 till 40 µm., Detta gör rack and pinion set passar även gantry-enheter.
För applikationer med långa körlängder har kulskruvar höga massmoment av tröghet som begränsar kritisk hastighet och axiell lastkapacitet; även förladdad kulskruv effektivitet når endast 90% eller så. Sådana långtaktsapplikationer drar nytta av en övergång till rack — and-pinion-uppsättningar-med effektivitet till 97%.
angränsande delar som lager påverkar kulskruvstyvhet, Bores eller mutterhus, vilket gör det svårt att säkerställa stabilt systembeteende under dynamik., Avvikelse av spindelstyvhet beroende på mutterposition över spindellängdsföreningarna detta problem.
däremot erbjuder rack-och-pinion — enheter konstant styvhet över hela reselängden plus bra systembeteende-för överlägsen kontrollsystembeteende. Slutligen, till skillnad från rack-och-pinion-system, tillåter kulskruvar endast en bärare per linjär axel och är inte lämpliga för korttaktsapplikationer. Varför? Smörj efterfrågan dikterar att endast några bollar cirkulerar genom muttern.,
Rack-and-pinion kontra linjär motor
jämfört med linjära motorer, rack och pinion system kan erbjuda liknande prestanda men till mycket mindre kostnad. De är mindre, vilket möjliggör en mer kompakt, mindre komplex maskindesign. Frånvaron av magnetiska krafter minskar kraftigt behovet av stödstrukturer för att absorbera höga normala krafter, så standardstyrskenor kan användas. Linjära motorer har total effektivitet till 90% – men ibland är det betydligt lägre. På grund av denna inneboende ineffektivitet kräver linjära motorer ofta vattenkylning.,
i jämförelse behöver rack och pinioner inget skydd; styrsystemet kan utsättas för metallpartiklar och säkerhetsrestriktioner är minimala. Bättre rack-och-pinion uppsättningar kräver inte dyra linjära skalor och externa bromsar, antingen; standard motor återkopplingsanordningar och bromsar är tillräckligt.
I många fall kräver linjära motorer komplett maskindesign — delvis för att stora normala krafter från attraktionen mellan primär och sekundär har långtgående konsekvenser., Ett enklare alternativ, färdigmonterade rack-and-pinion-system underlättar blindmontering för extra kostnadsbesparingar – och skär monteringstiden till ungefär 10 minuter per meter reslängd.
För mer information, ring (888) 534-1222 eller besök wittenstein-us.com. Wittenstein erbjuder också gratis utbildning webbseminarium. På webbplatsen klickar du på teknisk Support och sedan Webinars för att registrera dig.
sidebar Quick history lesson
mekaniska linjära rörelseanordningar — på vilka rack-and-pinion uppsättningar är baserade — går tillbaka till uppfinningen av hjulet i gamla Mesopotamien., Omkring 1100 f. Kr. började assyrierna använda rullande loggplattformar för att göra rörliga objekt mer praktiska. Efter den mörka tiden, under den vetenskapliga revolutionen på 1600 — talet, var de gamla världarna — som de i Assyrien och dess linjära rörelsesystem-studied och ibland antagna. Denna fas ledde vägen till den industriella revolutionen på 1700-talet och 1800-talet, under vilken de första, mest grundläggande rack-och-pinion-enheterna kom till framträdande.
en viktig applikation som sporrade rack och pinion innovation var järnvägstransitering., På 1800-talet togs cogged railways i bruk i USA och Europas brantare landskap. Dessa järnvägar använder sig av bilar utrustade med drivna kugghjul som engagerar en tandad rack installerad mellan järnvägens spår. Det är en kraftöverföringsmekanism som är särskilt användbar för klättringstillämpningar. Den första cog railway i världen — fortfarande i drift — är Mount Washington Järnvägen, New Hampshire, först som drivs i 1868. En annan kugghjul, Vitznau-Rigi-Bahn i Schweiz öppnade några år senare.,
idag gör moderna material, behandlingar och optimerad tillverkning de senaste rack-och-pinionsuppsättningarna lika bra och ofta bättre än elektromekaniska och andra linjära komponenter i en myriad av krävande industriella applikationer.