ラックアンドピニオンリニアモジュールの種類: ストレートラックとヘリカルラック

ラックアンドピニオンリニアモジュール1 本の長い回転ネジを必要とせずに駆動長を延長できるため、長距離、高速、重負荷の動作に広く使用されています。しかし "ラックアンドピニオンモジュール」では、いくつかの非常に異なる構造が取り上げられています。

理解するのに最も役立つ方法ラックアンドピニオンリニアモジュールタイプ歯の形状、駆動装置の配置、予圧方法、保護レベル、機械のアーキテクチャによってそれらを分類することです。 1 つのピニオンを備えたストレート ラック、予圧された 2 つのピニオンを備えたヘリカル ラック、密閉型ロングトラベル軸、および両面重量ガントリーはすべて同じ製品ファミリーに属しますが、性能は大きく異なります。

このガイドでは、主要なラック モジュールの設計について説明し、ストレート ラック、ヘリカル ラック、シングル ピニオン ドライブとデュアル ピニオン ドライブ、片面ラック レイアウトと両面ラック レイアウト、オープン/密閉構造、および耐久性の高い構成が最適な場所を示します。

ラックアンドピニオンモジュールはいくつかの次元で分類できます

• 直歯またははすば歯ラック
• シングルピニオンまたはデュアルピニオンドライブ
• 片面または両面ラックドライブ
• 開放型、半密閉型、または密閉型モジュール
• 標準、ワイドボディ、またはヘビーデューティ構造
• シングルキャリッジまたはガントリーキャリッジ
• シングルモーターまたは同期デュアルモーター
• 単一ラックセクションまたは複数セクションのロングトラベル

重要：これらは異なる分類次元です。モジュールは、ヘリカル、デュアルピニオン、密閉型、そして同時に高耐久にすることができます。

ストレートラックリニアモジュール

ストレートラックは、進行方向に対して垂直な歯を使用します。相手のピニオンもまっすぐな歯を持っています。

一般的な利点は次のとおりです。

• シンプルな歯の形状
• 製造・検査が容易
• 効率が良い
• ねじれ角による軸方向ギア推力成分なし
• 幅広い可用性
• コスト効率の高いロングトラベルモーション

ストレート ラック モジュールが一般的に使用される場合

• マテリアルハンドリング
• 倉庫の自動化
• 大型伝達軸
• 一般的なガントリーシステム
• 機械の積載
• 適度な騒音と滑らかさが許容できる長距離移動

ヘリカルラックリニアモジュール

ヘリカルラックは、移動方向に対して角度を付けた歯を使用します。嵌合するヘリカルピニオンは、歯幅全体に一度にかみ合うのではなく、段階的にかみ合います。

これにより、次のことが可能になります。

• よりスムーズな歯の噛み合い
• 多くの設計で接触率が向上
• 伝送リップルの低減
• 同等の品質と動作条件での衝撃騒音の低減
• 精密な長移動動作に適しています。

ヘリカルラックも軸力を生成します

歯には角度があるため、ピニオンは軸方向の力成分を生成します。ベアリング、ギアボックス出力シャフト、モーター取り付け構造は、この力に反応するように設計する必要があります。

ヘリカルだからといって、自動的に「より正確」を意味するわけではありません。精度は依然としてラックのグレード、ピニオンの品質、ギアボックスのバックラッシュ、プリロード、取り付け、フィードバックに依存します。

ストレートラックとヘリカルラック: 簡単な比較

シングルピニオンラックモジュール

シングルピニオンシステムは、1 つのピニオンを 1 つのラックと噛み合わせて直線運動を生成します。

これは最も単純なドライブ アーキテクチャであり、次の場合に一般的です。

• 適度なバックラッシュは許容されます
• ギアボックスはすでに十分に低いバックラッシュを実現しています
• 動きは主に一方向です
• コストとシンプルさが重要
• アプリケーションは精密輪郭加工ではなく輸送指向です

シングルピニオンの精度を制限するものは何ですか?

反転パフォーマンスは以下によって決まります。

• ギアボックスのバックラッシュ
• ラックピニオンのバックラッシュ
• ピニオン振れ
• 軸間距離調整
• 取付剛性

デュアルピニオンラックモジュール

デュアル ピニオン システムでは、同じラック上で 2 つのピニオンを使用します。 2 つのドライブは、効果的なバックラッシュを低減するために、相互に機械的または電子的にバイアスをかけることができます。

デュアル ピニオンを使用する一般的な理由は次のとおりです。

• 反転動作の改善
• より高いねじり剛性
• 実効バックラッシュの低減
• 高精度ロングトラベル位置決め
• 大型機械の輪郭加工

2 つのピニオンによる機械的プリロード

2 つのピニオンには機械的に予荷重を加えることができ、その歯面がラックの歯の反対側に接触します。

これにより、方向反転時の自由な動きが減少する可能性があります。

過剰な予圧が増加する可能性があるため、予圧は慎重に制御する必要があります。

• ギアの噛み合い摩擦
• 熱
• 歯の磨耗
• ギアボックスの負荷

電子式デュアルピニオンプリロード

電子的にプリロードされたシステムでは、2 つのサーボ ドライブが制御されたトルク バイアスを反対方向に加えながら、必要な正味の軸力を生成します。

このアーキテクチャは以下を提供できます。

• アクティブバックラッシ抑制
• 高いドライブ剛性
• 柔軟なプリロード調整

しかし、次のようにも付け加えます。

• 2 つのモーターまたは駆動チャンネル
• 制御の複雑さ
• 予圧トルクによる熱負荷
• さらなる試運転作業

シングルピニオン vs デュアルピニオン

片面ラックドライブ

片面ラック レイアウトでは、移動構造の片側に沿って 1 つのラックを使用します。

これは、ガイド システムが駆動によるヨー モーメントに抵抗できる幅の狭いキャリッジや単軸モジュールによく見られます。

利点は次のとおりです。

• シンプルなアーキテクチャ
• コンポーネント数が少ない
• 低コスト
• メンテナンスが簡単

両面ラックドライブ

両面ラック レイアウトでは、幅の広いガントリーまたは機械構造の両側にラックを配置します。通常、各側には独自のピニオンがあり、多くの場合、独自のモーター/ギアボックスがあります。

これは、1 つのラック上のデュアル ピニオン プリロード システムとは根本的に異なります。

両面ドライブは次の場合に役立ちます。

• ワイドガントリー
• 重い横梁
• 大型工作機械
• デカルトロボット
• ロングトラベルパレタイジングシステム

幅広ガントリーに両面駆動が必要な理由

幅の広いガントリーが片側からのみ駆動される場合、駆動力によりクロスビームがねじれたり、ラックになったりする可能性があります。

デュアルサイドドライブにより力がより対称的に分散され、以下が軽減されます。

• ガントリースキュー
• ガイド荷重の不均衡
• クロスビームのねじれ

ただし、双方の同期を維持する必要があります。

両面ドライブには電子的および機械的な二乗が必要

デュアルドライブ ガントリーは以下を管理する必要があります。

• 独立したホーミング
• モーターの同期
• クロスビームの直角度
• ラックピッチ合わせ
• ガイド平行度

制御では、不良な機械的アライメントを完全に修正することはできません。電子同期は、ひどくねじれた構造を補償するものではなく、正しく構築されたガントリーを維持する必要があります。

シングル ラックとデュアル ラックは、シングル ピニオンとデュアル ピニオンでは同じではありません

オープンラックアンドピニオンモジュール

オープンモジュールにより、ラック、ピニオン、またはガイド領域にアクセスしやすくなります。

利点は次のとおりです。

• 簡単な検査
• 潤滑が容易
• ラックの位置合わせが簡単
• 便利な交換
• 表紙の複雑さを軽減する

オープン設計は、保護された機械エンクロージャ内やクリーンな産業環境内で一般的です。

密閉型ラックアンドピニオンモジュール

密閉設計では、カバー、プロファイル、スチールストリップ、または外部ハウジングを使用して、ラックおよびガイドシステムへの直接の汚染を軽減します。

潜在的な利点は次のとおりです。

• 破片からの保護を強化
• すっきりとした外観
• 偶発的な接触の減少
• より制御された潤滑環境

ただし、「密閉型」だからといって、特定の IP 等級の防水性、防塵性、またはクリーンルーム認定を自動的に意味するわけではありません。

半密閉型デザイン

半密閉型モジュールは、保護とメンテナンス アクセスのバランスをとります。

これらは次のような場合に役立ちます。

• 適度な防塵が必要
• ラック検査は今後も容易でなければなりません
• 完全密閉型システムよりもコストを低く抑える必要がある

オープン型ラック モジュールと密閉型ラック モジュールの比較

標準仕様ラックモジュール

標準負荷モジュールは、負荷、推力、モーメントの要件が中程度である一般的な自動化向けに設計されています。

典型的なアプリケーションには次のようなものがあります。

• 材料の移送
• 包装
• 一般的なガントリーの動き
• 倉庫の取り扱い
• 長軸ピックアンドプレース

耐久性の高いラックアンドピニオンモジュール

あ頑丈なラックモジュール通常は次のものを組み合わせて使用​​します。

• 大型ラックモジュール
• より大きなピニオン
• 高トルクギアボックス
• 広いガイド間隔
• リニアガイドの大型化
• より強力なキャリッジとベース構造
• 両面ドライブ

ヘビーデューティーは、外観だけではなく、実際の歯の荷重、ガイド容量、ギアボックスのトルク、および構造の剛性によって定義される必要があります。

「ギアモジュール」の意味

歯車用語では、モジュールは歯のサイズを表します。一般に、ギアモジュールが大きいほど歯が大きくなり、他の設計要素が適切な場合には、より高い歯の負荷をサポートできます。

ただし、モジュールを増やすと次のような影響もあります。

• ピニオン径
• 伝達比
• 歯のかみ合わせ
• 空間
• モーター1回転あたりの分解能

したがって、モジュールが大きいほど、すべての重負荷軸にとって自動的に優れているわけではありません。

ファインピッチ精密ラックモジュール

精度重視のラック モジュールでは、より小さなピッチ、より高いラック品質、厳密に制御された取り付けが使用される場合があります。

これらは次の場合に役立ちます。

• 検査
• 機械加工
• レーザー切断
• 大判計測

精度は、ラック、ピニオン、ギアボックス、プリロード、取り付け、フィードバックなどのチェーン全体に依存します。

ラージピニオン高速設計

特定のピニオン rpm の場合、ピッチ直径が大きいほど、1 回転あたりの直線移動量が増加します。

これにより、目標線速度に必要なモーター/ギアボックスの回転数を減らすことができます。

ただし、ピニオンが大きくなると、同じ直線推力でもより多くのトルクが必要になります。

T = F × r

そのため、ピニオンの直径は、ベ​​ルト システムのプーリーの直径と同様に、速度と推力のトレードオフを生み出します。

ギアボックスベースのラックモジュール

ラック ドライブでは、サーボ モーターとピニオンの間に遊星歯車またはその他の減速ギアボックスが頻繁に使用されます。

ギアボックスは以下を提供できます。

• より高い出力トルク
• モーター速度の利用効率の向上
• イナーシャマッチング

しかし、次のようにも付け加えます。

• バックラッシュ
• ねじりコンプライアンス
• 効率の損失
• 料金

したがって、ギアボックスの品質はラックモジュールのパフォーマンスの主要な部分を占めます。

ダイレクトドライブピニオン構成

一部のシステムでは、特に高速性と機械的複雑性の低さが優先される場合、減速をほとんどまたはまったく行わずにピニオンを駆動します。

モーターは必要なピニオントルクを直接提供する必要があるため、モーターのサイズを慎重に決定する必要があります。

ロングトラベルマルチセクションラックモジュール

ラックドライブの最大の利点の 1 つは、ラックを複数のセクションから組み立てることができることです。

これにより、次のことが可能になります。

• マルチメータートラベル
• モジュール式マシン拡張
• 輸送と設置が容易
• 個々のラックセクションの交換

ラックジョイントは歯の連続性を維持する必要がある

複数セクションのインストールでは、以下を制御する必要があります。

• ピッチの連続性
• 歯相
• ラックの高さ
• 側面の位置合わせ
• 取付真直度

接合部が不良であると、衝撃、騒音、周期的な位置決め誤差が発生する可能性があります。

精密ラックと標準ラック

ラックの精度は軸の精度と同じではありません

最終的な位置決めは以下にも依存します。

• ピニオンの品質
• ピニオン振れ
• ギアボックスのバックラッシュ
• ラックマウント
• ガイド真直度
• 機械フレーム
• 熱膨張
• フィードバックシステム

軸レベルの精度は、実際の移動に対して検証する必要があります。高級ラックだけでは高い機械精度は保証されません。

シングルキャリッジラックモジュール

単一のキャリッジ アーキテクチャは、1 つの移動ツール、固定具、または軸に対して一般的です。

それは以下を提供します:

• シンプルな制御
• コンパクトな可動構造
• 簡単な統合

複数台車および独立台車システム

長いラックは、それぞれが独自のドライブを備えた複数の移動キャリッジをサポートすることもできます。

これは次の場合に役立ちます。

• 複数の処理ヘッド
• 独立したピックアンドプレイスステーション
• 大規模な生産ライン

複数の車両が同じ走行ゾーンを共有する場合、衝突回避と制御アーキテクチャが重要になります。

水平ラックモジュール

水平取り付けは最も一般的な配置です。

主要なチェックには次のものが含まれます。

• 移動する質量
• 加速度
• 必要推力
• ガイドモーメント荷重
• 潤滑保持力

垂直ラックモジュール

ラックドライブは垂直方向でも使用できますが、重力と安全性を考慮する必要があります。

チェック：

• 重力
• モーターブレーキ
• ギアボックスのバックドライブ
• 回生エネルギー
• 機械的な落下防止保護

ギアボックスの摩擦が安全定格の保持機能を提供するとは考えないでください。

XYZ デカルト システム用ラック モジュール

ラック ドライブは、デカルト システムの長い X 軸で特に役立ちます。

一般的な混合アーキテクチャは次のとおりです。

• ラックアンドピニオン X 軸により長距離移動が可能
• 正確なクロス位置決めのためのボールねじ Y 軸
• 機能に応じてボールネジまたは電動シリンダのZ軸

各軸は、それぞれの動作要件に合わせて選択する必要があります。

大型ガントリー用ラックモジュール

大きなガントリーは、以下の組み合わせとなることがよくあります。

• 両面ラック
• 2つのサーボモーター
• ギアボックス
• 広い間隔のガイドレール
• 剛性クロスビーム

この構造は、機械加工、レーザー加工、パレタイジング、および大型オートメーションで一般的です。

ヘリカルデュアルピニオン精密モジュール

低バックラッシュでスムーズな長距離移動の位置決めを必要とするアプリケーションの場合、考えられるアーキテクチャの 1 つは次のとおりです。

• ヘリカルラック
• デュアルプリロードピニオン
• 低バックラッシュギヤボックス
• 精密ガイドシステム
• 必要に応じてダイレクトリニアエンコーダ

これにより高性能が得られますが、標準のストレート ラック シングル ピニオン モジュールよりも高価で複雑になります。

ストレート シングルピニオン エコノミー モジュール

アプリケーションで主に信頼性の高い長距離輸送が必要な場合は、1 つのピニオンを備えたストレート ラックが実用的で複雑さの少ないソリューションとなります。

一般的な優先順位は次のとおりです。

• 長距離旅行
• 中程度の精度
• 簡単なメンテナンス
• コスト管理

耐久性の高い両面ガントリー モジュール

非常に幅の広いガントリーまたは重いガントリーの場合、一般的な頑丈なアーキテクチャは次のとおりです。

• 両側にラックが付いています
• 両側のサーボギアボックス
• 大型ギアモジュール
• 高容量リニアガイド
• 剛性の高いスチールまたは強化アルミニウムのビーム

負荷分散と同期は不可欠です。

モジュールタイプをアプリケーションに適合させる方法

ラックモジュールタイプの選択でよくある間違い

ヘリカルラックが常に高精度を意味すると仮定する

ヘリカル形状により噛み合いの滑らかさが向上しますが、最終的な精度は依然としてラックのグレード、プリロード、ギアボックス、取り付け、フィードバックに依存します。

紛らわしいデュアルピニオンと両面ラック

通常、デュアルピニオンは 1 つのラックのバックラッシュを制御します。両面ラックは幅広ガントリーの両側を駆動します。

重荷重を歯の大きさだけで選ぶ

ガイド容量、ギアボックスのトルク、キャリッジの剛性、機械構造も適切に増加する必要があります。

ラックジョイントの位置合わせを無視する

移動距離が長いと、セクションの接合部の取り付けが不十分な場合、滑らかさと精度が失われる可能性があります。

過剰な予圧を使用する

予圧が大きすぎると、摩擦、熱、摩耗が増加します。

密閉型なのでメンテナンスフリーであると仮定すると、

ラックの歯、ガイド、ギアボックス、潤滑は引き続き検査が必要です。

実用的なラックアンドピニオンモジュール選択ワークフロー

1. 必要な移動距離を定義します。
2. 移動質量と重心を定義します。
3. 最大速度と加速度を定義します。
4. 必要な直線推力を計算します。
5. 繰り返し精度と絶対位置を個別に定義します。
6. ストレート歯形またはヘリカル歯形を選択します。
7. シングルピニオンが必要かデュアルピニオンが必要かを決定します。
8. 幅の広いガントリーに片面ドライブが必要か、両面ドライブが必要かを判断します。
9. ラックモジュール、ピニオンサイズ、ギアボックス比を選択します。
10. ガイド荷重とモーメント容量を確認してください。
11. 開放型、半密閉型、または密閉型の保護を選択します。
12. 長距離移動に備えてラックセクションの位置合わせを計画します。
13. 潤滑とメンテナンスへのアクセスを定義します。
14. 全移動量にわたって振動、バックラッシュ、位置を検証します。

QRXQ がラック モジュール タイプを推奨するために必要なもの

• 必要な移動距離
• 移動する質量
• 重心位置
• 最高速度
• 加速度
• 必要推力
• 位置決め精度
• 再現性
• シングルキャリッジまたはガントリー構造
• 設置可能幅
• 作業環境
• 毎日のデューティサイクル

単一の「最適な」ラックアンドピニオン モジュール タイプはありません。歯の形状、ピニオン数、ラックのレイアウト、エンクロージャ、頑丈な構造により、さまざまなエンジニアリング上の問題が解決されます。

QRXQ は、完全なモーション アーキテクチャからラック アンド ピニオン リニア モジュールを評価し、ストレートまたはヘリカル ラック、シングルまたはデュアル ピニオン、片面または両面ドライブ、保護レベル、実際の長距離用途に適合する構造能力をマッチングします。