Tipi di moduli lineari a pignone e cremagliera: cremagliere diritte o elicoidali

Cremagliera e pignonemoduli linearisono ampiamente utilizzati per corse lunghe, movimenti ad alta velocità e carichi pesanti poiché la lunghezza dell'azionamento può essere estesa senza richiedere una vite rotante lunga. Ma "modulo pignone e cremagliera" copre diverse strutture molto diverse.

Il modo più utile per capiretipi di moduli lineari a pignone e cremaglieraè classificarli in base alla forma dei denti, alla disposizione della trasmissione, al metodo di precarico, al livello di protezione e all'architettura della macchina. Una cremagliera diritta con un pignone, una cremagliera elicoidale con doppi pignoni precaricati, un asse chiuso a corsa lunga e un portale pesante a due lati possono appartenere tutti alla stessa famiglia di prodotti pur avendo prestazioni molto diverse.

Questa guida spiega i principali progetti di moduli rack e mostra dove si adattano meglio rack diritti, rack elicoidali, unità a pignone singolo e doppio, layout rack a lato singolo e doppio, strutture aperte/chiuse e configurazioni per carichi pesanti.

I moduli pignone e cremagliera possono essere classificati in diverse dimensioni

• Cremagliera a denti diritti o elicoidali
• Trasmissione a pignone singolo o doppio
• Unità rack su un solo lato o su due lati
• Modulo aperto, semichiuso o chiuso
• Struttura standard, a cassone largo o per carichi pesanti
• Carro singolo o carro a portale
• Motore singolo o doppio motore sincronizzato
• Sezione a cremagliera singola o corsa lunga a più sezioni

Importante:queste sono dimensioni di classificazione diverse. Un modulo può essere elicoidale, a doppio pignone, chiuso e per carichi pesanti allo stesso tempo.

Moduli lineari a cremagliera dritta

Una cremagliera diritta utilizza i denti perpendicolari alla direzione di marcia. Anche il pignone accoppiato ha denti dritti.

I vantaggi tipici includono:

• Geometria dei denti semplice
• Facilità di produzione e ispezione
• Buona efficienza
• Nessuna componente assiale di spinta dell'ingranaggio dall'angolo dell'elica
• Ampia disponibilità
• Movimento economico per corse lunghe

Dove vengono comunemente utilizzati i moduli rack diritti

• Movimentazione dei materiali
• Automazione del magazzino
• Assi di trasferimento di grandi dimensioni
• Sistemi generali a portale
• Caricamento della macchina
• Viaggi lunghi in cui sono accettabili rumore moderato e fluidità

Moduli lineari a cremagliera elicoidale

Una cremagliera elicoidale utilizza denti angolati rispetto alla direzione di movimento. Il pignone elicoidale accoppiato si innesta progressivamente anziché su tutta la larghezza del dente in una volta.

Ciò può fornire:

• Innesto dei denti più fluido
• Rapporto di contatto più elevato in molti modelli
• Ondulazione della trasmissione ridotta
• Rumore da impatto inferiore a parità di qualità e condizioni operative
• Buona idoneità per movimenti di precisione a lunga corsa

Le cremagliere elicoidali creano anche una forza assiale

Poiché i denti sono angolati, il pignone produce una componente di forza assiale. I cuscinetti, l'albero di uscita del cambio e la struttura di montaggio del motore devono essere progettati per reagire a questa forza.

Elicoidale non significa automaticamente “più accurato”.La precisione dipende ancora dalla qualità della cremagliera, dalla qualità del pignone, dal gioco del cambio, dal precarico, dall'installazione e dal feedback.

Rack dritto vs elicoidale: confronto rapido

Moduli a cremagliera a pignone singolo

Un sistema a pignone singolo utilizza un pignone che ingrana con una cremagliera per generare un movimento lineare.

È l'architettura di azionamento più semplice ed è comune quando:

• Un gioco moderato è accettabile
• Il cambio offre già un gioco sufficientemente basso
• Il movimento è prevalentemente unidirezionale
• Il costo e la semplicità sono importanti
• L'applicazione è orientata al trasporto piuttosto che alla contornatura di precisione

Cosa limita la precisione del singolo pignone?

La prestazione dell'inversione dipende da:

• Gioco del cambio
• Gioco cremagliera-pignone
• Eccentricità del pignone
• Regolazione dell'interasse
• Rigidità di montaggio

Moduli a cremagliera a doppio pignone

Un sistema a doppio pignone utilizza due pignoni sulla stessa cremagliera. I due azionamenti possono essere polarizzati meccanicamente o elettronicamente l'uno rispetto all'altro per ridurre il gioco effettivo.

I motivi comuni per utilizzare i pignoni doppi includono:

• Comportamento di inversione migliorato
• Maggiore rigidità torsionale
• Gioco effettivo ridotto
• Posizionamento a corsa lunga ad alta precisione
• Contornatura di grandi macchine

Precarico meccanico con due pignoni

Due pignoni possono essere precaricati meccanicamente in modo che i fianchi dei loro denti entrino in contatto con i lati opposti dei denti della cremagliera.

Ciò può ridurre la libertà di movimento durante l'inversione di direzione.

Il precarico deve essere controllato attentamente perché un precarico eccessivo può aumentare:

• Attrito dell'ingranaggio
• Calore
• Usura dei denti
• Carico del cambio

Precarico elettronico a doppio pignone

Nei sistemi precaricati elettronicamente, due servoazionamenti applicano una polarizzazione di coppia controllata in direzioni opposte continuando a produrre la forza netta sull'asse richiesta.

Questa architettura può fornire:

• Soppressione attiva del gioco
• Elevata rigidità della guida
• Regolazione flessibile del precarico

Ma aggiunge anche:

• Due motori o canali di azionamento
• Controllare la complessità
• Carico termico derivante dalla coppia di precarico
• Più lavoro di messa in servizio

Pignone singolo vs pignone doppio

Unità rack su un solo lato

Un layout di rack a lato singolo utilizza un rack lungo un lato della struttura mobile.

Questo è comune per i carrelli stretti e i moduli ad asse singolo in cui il sistema di guida può resistere al momento di imbardata indotto dalla trasmissione.

I vantaggi includono:

• Architettura semplice
• Conteggio dei componenti inferiore
• Costo inferiore
• Manutenzione facile

Unità rack su due lati

La disposizione dei rack su due lati posiziona i rack su entrambi i lati di un ampio portale o struttura di una macchina. Ogni lato solitamente ha il proprio pignone e spesso il proprio motore/riduttore.

Questo è fondamentalmente diverso da un sistema di precarico a doppio pignone su una cremagliera.

La guida su entrambi i lati è utile per:

• Ampi portali
• Traverse pesanti
• Macchine utensili di grande formato
• Robot cartesiani
• Sistemi di pallettizzazione a lunga corsa

Perché i portali larghi necessitano di azionamento su due lati

Se un portale largo viene azionato da un solo lato, la forza motrice può torcere o deformare la traversa.

La trasmissione su entrambi i lati distribuisce la forza in modo più simmetrico e riduce:

• Inclinazione del portale
• Squilibrio di carico della guida
• Torsione della traversa

Tuttavia, entrambe le parti devono rimanere sincronizzate.

L'azionamento su due lati richiede squadratura elettronica e meccanica

Un portale a doppia unità dovrebbe gestire:

• Homing indipendente
• Sincronizzazione del motore
• Ortogonalità della traversa
• Corrispondenza del passo del rack
• Parallelismo guida

Il controllo non è in grado di correggere completamente lo scarso allineamento meccanico.La sincronizzazione elettronica dovrebbe mantenere un portale costruito correttamente, non compensare una struttura gravemente distorta.

La singola cremagliera o la doppia cremagliera non sono la stessa cosa della singola o doppia cremagliera

Moduli aperti a pignone e cremagliera

Un modulo aperto lascia la zona della cremagliera, del pignone o della guida più accessibile.

I vantaggi includono:

• Facile ispezione
• Lubrificazione facile
• Facile allineamento del rack
• Sostituzione conveniente
• Minore complessità della copertura

I design aperti sono comuni all'interno di involucri di macchine protette o ambienti industriali puliti.

Moduli chiusi a pignone e cremagliera

I design chiusi utilizzano coperture, profili, nastri di acciaio o alloggiamenti esterni per ridurre la contaminazione diretta della cremagliera e del sistema di guida.

I potenziali vantaggi includono:

• Migliore protezione dai detriti
• Aspetto esterno più pulito
• Contatto accidentale ridotto
• Ambiente di lubrificazione più controllato

Ma “chiuso” non significa automaticamente impermeabile, resistente alla polvere secondo un grado IP specifico o certificato per camera bianca.

Disegni semichiusi

I moduli semichiusi bilanciano la protezione con l'accesso per la manutenzione.

Possono essere utili dove:

• È necessaria una protezione moderata dalla polvere
• L'ispezione degli scaffali dovrebbe rimanere semplice
• Il costo deve rimanere inferiore a quello di un sistema completamente chiuso

Moduli rack aperti e chiusi

Moduli rack per uso standard

I moduli per servizio standard sono progettati per l'automazione generale in cui i requisiti di carico, spinta e momento sono moderati.

Le applicazioni tipiche includono:

• Trasferimento di materiale
• Confezione
• Movimento generale del portale
• Movimentazione del magazzino
• Pick-and-place ad asse lungo

Moduli a pignone e cremagliera per carichi pesanti

UNmodulo rack per carichi pesantiin genere utilizza una combinazione di:

• Modulo rack più grande
• Pignone più grande
• Cambio a coppia più elevata
• Spaziatura guida più ampia
• Guide lineari più grandi
• Carrello e struttura di base più robusti
• Guida su due lati

Il servizio pesante dovrebbe essere definito dal carico effettivo sui denti, dalla capacità della guida, dalla coppia del riduttore e dalla rigidità strutturale piuttosto che dal solo aspetto.

Cosa significa "Modulo ingranaggio".

Nella terminologia degli ingranaggi, il modulo descrive la dimensione del dente. Un modulo di ingranaggio più grande generalmente significa denti più grandi e può supportare un carico sui denti più elevato quando altri fattori di progettazione sono adatti.

Ma l’aumento del modulo influisce anche su:

• Diametro del pignone
• Rapporto di trasmissione
• Impegno dei denti
• Spazio
• Risoluzione per giro del motore

Pertanto, un modulo più grande non è automaticamente migliore per ogni asse con carico pesante.

Moduli rack di precisione a passo fine

I moduli rack orientati alla precisione possono utilizzare un passo più piccolo, una qualità rack più elevata e un montaggio strettamente controllato.

Possono essere utili per:

• Ispezione
• Lavorazione
• Taglio laser
• Metrologia di grande formato

La precisione dipende dalla catena completa: cremagliera, pignone, riduttore, precarico, montaggio e retroazione.

Design ad alta velocità con pignone grande

Per un dato numero di giri del pignone, un diametro primitivo maggiore produce una maggiore corsa lineare per giro.

Ciò può ridurre il numero di giri del motore/riduttore richiesto per una velocità lineare target.

Ma un pignone più grande richiede anche una coppia maggiore per la stessa spinta lineare:

T = F × r

Pertanto il diametro del pignone crea un compromesso tra velocità e spinta simile al diametro della puleggia nei sistemi a cinghia.

Moduli rack basati su riduttore

Le unità a cremagliera utilizzano spesso un riduttore epicicloidale o di altro tipo tra il servomotore e il pignone.

Il riduttore può fornire:

• Coppia in uscita più elevata
• Migliore utilizzo della velocità del motore
• Corrispondenza d'inerzia

Ma aggiunge anche:

• Gioco
• Conformità torsionale
• Perdita di efficienza
• Costo

La qualità del riduttore è quindi una parte importante delle prestazioni del modulo rack.

Configurazioni del pignone ad azionamento diretto

Alcuni sistemi azionano il pignone con una riduzione minima o nulla, soprattutto dove l'alta velocità e la bassa complessità meccanica sono priorità.

Ciò richiede un attento dimensionamento del motore perché il motore deve fornire direttamente la coppia richiesta al pignone.

Moduli rack multisezione a corsa lunga

Uno dei maggiori vantaggi dell'azionamento a cremagliera è che il rack può essere assemblato da più sezioni.

Ciò consente:

• Corsa di molti metri
• Ampliamento macchina modulare
• Trasporto e installazione più facili
• Sostituzione delle singole sezioni del rack

I giunti a cremagliera devono preservare la continuità dei denti

L'installazione multisezione deve controllare:

• Continuità del passo
• Fase del dente
• Altezza dello scaffale
• Allineamento laterale
• Rettilineità di montaggio

Giunti inadeguati possono creare urti, rumore ed errori periodici di posizionamento.

Rack di precisione rispetto a rack standard

La precisione del rack non è la stessa della precisione dell'asse

Il posizionamento finale dipende anche da:

• Qualità del pignone
• Eccentricità del pignone
• Gioco del cambio
• Montaggio su rack
• Guida rettilineità
• Telaio della macchina
• Dilatazione termica
• Sistema di feedback

La precisione a livello dell'asse dovrebbe essere convalidata rispetto alla corsa reale.Una cremagliera di alta qualità da sola non garantisce un'elevata precisione della macchina.

Moduli rack a carrello singolo

Un'architettura a carrello singolo è comune per uno strumento, un dispositivo o un asse in movimento.

Fornisce:

• Controllo semplice
• Struttura mobile compatta
• Integrazione semplice

Sistemi a carrelli multipli e a carrelli indipendenti

Le scaffalature lunghe possono anche supportare più carrelli in movimento, ciascuno con la propria azionamento.

Questo può essere utile per:

• Teste di lavorazione multiple
• Stazioni pick-and-place indipendenti
• Grandi linee di produzione

La prevenzione delle collisioni e l'architettura di controllo diventano importanti quando più carrozze condividono la stessa zona di viaggio.

Moduli rack orizzontali

Il montaggio orizzontale è la disposizione più comune.

I controlli chiave includono:

• Massa in movimento
• Accelerazione
• Spinta richiesta
• Carico del momento guida
• Ritenzione della lubrificazione

Moduli rack verticali

Le unità a cremagliera possono essere utilizzate anche in verticale, ma è necessario includere la gravità e la sicurezza.

Controllo:

• Forza di gravità
• Freno motore
• Cambio in retromarcia
• Energia rigenerativa
• Protezione meccanica anticaduta

Non dare per scontato che l'attrito del cambio fornisca una funzione di tenuta di sicurezza.

Moduli Rack per Sistemi Cartesiani XYZ

L'azionamento a cremagliera è particolarmente utile sull'asse X lungo di un sistema cartesiano.

Un'architettura mista comune è:

• Asse X con pignone e cremagliera per corse lunghe
• Asse Y con vite a ricircolo di sfere per un preciso posizionamento trasversale
• Asse Z con vite a ricircolo di sfere o cilindro elettrico a seconda della funzione

Ciascun asse deve essere selezionato in base ai propri requisiti di movimento.

Moduli rack per portali di grandi dimensioni

I grandi portali spesso combinano:

• Rack bifacciali
• Due servomotori
• Riduttori
• Binari di guida molto distanziati
• Traversa rigida

Questa struttura è comune nella lavorazione meccanica, nella lavorazione laser, nella pallettizzazione e nell'automazione di grande formato.

Moduli di precisione elicoidali a doppio pignone

Per le applicazioni che richiedono un posizionamento fluido a corsa lunga con gioco ridotto, una possibile architettura è:

• Cremagliera elicoidale
• Doppi pignoni precaricati
• Cambio a gioco ridotto
• Sistema di guida di precisione
• Encoder lineare diretto dove richiesto

Questo può fornire prestazioni elevate, ma è anche più costoso e complesso di un modulo standard a pignone singolo a cremagliera diritta.

Moduli economici diritti a pignone singolo

Quando l'applicazione necessita principalmente di trasporti affidabili su lunghe distanze, una cremagliera diritta con un pignone può rappresentare una soluzione pratica e poco complessa.

Le priorità tipiche sono:

• Viaggi lunghi
• Precisione moderata
• Manutenzione semplice
• Controllo dei costi

Moduli a portale bifacciale per carichi pesanti

Per portali molto larghi o pesanti, un'architettura comune per carichi pesanti è:

• Cremagliera su entrambi i lati
• Servocambio su entrambi i lati
• Modulo ingranaggi di grandi dimensioni
• Guide lineari ad alta portata
• Trave rigida in acciaio o alluminio rinforzato

La condivisione del carico e la sincronizzazione sono essenziali.

Come abbinare il tipo di modulo all'applicazione

Errori comuni nella selezione del tipo di modulo rack

Supponendo che la cremagliera elicoidale significhi sempre una maggiore precisione

La geometria elicoidale migliora la morbidezza dell'innesto, ma la precisione finale dipende ancora dal grado della cremagliera, dal precarico, dal cambio, dal montaggio e dal feedback.

Doppio pignone confuso con cremagliera su due lati

Il doppio pignone solitamente controlla il gioco su una cremagliera. Il rack a doppio lato guida entrambi i lati di un ampio portale.

Scegliere il servizio pesante solo dalla dimensione dei denti

Anche la capacità della guida, la coppia del riduttore, la rigidità del carrello e la struttura della macchina devono aumentare in modo adeguato.

Ignorare l'allineamento dei giunti a cremagliera

Una corsa lunga può perdere morbidezza e precisione in caso di giunti di sezione installati in modo inadeguato.

Utilizzo di un precarico eccessivo

Un precarico eccessivo aumenta l'attrito, il calore e l'usura.

Supponendo che sia chiuso significa che non richiede manutenzione

Denti a cremagliera, guide, riduttori e lubrificazione necessitano ancora di ispezione.

Un pratico flusso di lavoro per la selezione dei moduli pignone e cremagliera

1. Definire il viaggio richiesto.
2. Definire la massa in movimento e il centro di gravità.
3. Definire la velocità e l'accelerazione massime.
4. Calcolare la spinta lineare richiesta.
5. Definire separatamente la ripetibilità e il posizionamento assoluto.
6. Selezionare la forma del dente dritto o elicoidale.
7. Determinare se è necessario un pignone singolo o doppio.
8. Determinare se un portale ampio necessita di azionamento su un lato o su due lati.
9. Selezionare il modulo cremagliera, la dimensione del pignone e il rapporto del cambio.
10. Controllare i carichi della guida e la capacità del momento.
11. Scegli la protezione aperta, semichiusa o chiusa.
12. Pianificare l'allineamento delle sezioni del rack per viaggi lunghi.
13. Definire l'accesso per la lubrificazione e la manutenzione.
14. Convalida delle vibrazioni, del gioco e del posizionamento sull'intera corsa.

Di cosa ha bisogno QRXQ per consigliare un tipo di modulo rack

• Viaggio richiesto
• Massa in movimento
• Posizione del baricentro
• Velocità massima
• Accelerazione
• Spinta richiesta
• Precisione di posizionamento
• Ripetibilità
• Struttura a carro singolo o a portale
• Larghezza di installazione disponibile
• Ambiente di lavoro
• Ciclo di lavoro giornaliero

Non esiste un unico tipo di modulo pignone e cremagliera “migliore”.La forma dei denti, il numero dei pignoni, la disposizione della cremagliera, l'involucro e la struttura resistente risolvono diversi problemi ingegneristici.

QRXQ valuta i moduli lineari a pignone e cremagliera dall'architettura di movimento completa, abbinando cremagliere diritte o elicoidali, pignoni singoli o doppi, azionamento su un lato o due lati, livello di protezione e capacità strutturale all'effettiva applicazione a corsa lunga.