기어 랙 선형 모듈을 선택하는 방법: 전체 선택 가이드

기어 랙선형 모듈일반적으로 긴 스트로크, 고속 및 고부하 자동화 시스템에 사용됩니다. 최대 이동 길이가 나사 편향 및 임계 속도에 의해 제한될 수 있는 볼 나사 시스템과 달리 랙 앤 피니언 드라이브는 여러 랙 섹션을 연결하여 확장할 수 있습니다. 이는 다음에 적합합니다.갠트리 로봇, 머신 텐딩, 자재 취급, 레이저 절단, 용접, 팔레타이징 및 창고 자동화.

그러나 기어 랙 선형 모듈을 선택하려면 공칭 페이로드를 확인하는 것 이상의 것이 필요합니다. 하중 방향, 스트로크, 속도, 가속도, 위치 정확도, 랙 모듈, 기어비, 모터 토크, 설치 방향 및 환경 조건을 모두 함께 평가해야 합니다.

이 가이드에서는 기어 랙 선형 모듈을 체계적으로 선택하는 방법과 일반적인 크기 조정 실수를 방지하는 방법을 설명합니다.

1. 지원 요건 정의

선택 과정은 지원서에 대한 명확한 설명으로 시작되어야 합니다. 제품 사양을 비교하기 전에 다음 정보를 수집하십시오.

• 기계 또는 자동화 시스템 유형
• 필수 페이로드
• 총 이동 질량
• 유효 이동 스트로크
• 최대 선형 속도
• 가속 및 감속
• 소요 사이클 시간
• 위치 정확도
• 반복성 요구 사항
• 설치 방향
• 예상 영업 시간
• 환경 조건
• 사용 가능한 모터 및 기어박스 공간

탑재량과 총 이동 질량을 구별하는 것이 중요합니다. 모터는 공작물뿐만 아니라 캐리지, 툴링, 그리퍼, 브래킷, 케이블 및 움직이는 플랫폼에 장착된 모든 구성 요소도 가속해야 합니다.

기본 이동 질량은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

총 이동 질량 = 페이로드 + 캐리지에 장착된 툴링 + 고정 장치 + 케이블 시스템 + 기타 이동 구성 요소

계산에 페이로드만 사용하면 모터, 기어박스 또는 피니언의 크기가 작아질 수 있습니다.

2. 필요한 부하 용량 결정

기어 랙 선형 모듈 부하 용량은 선형 가이드, 캐리지 치수, 베어링 배열, 알루미늄 또는 강철 베이스, 랙 크기 및 설치 방향의 영향을 받습니다.

주요 하중 유형은 다음과 같습니다.

• 캐리지에 직접 작용하는 수직 하중
• 측면 장착 설치 시 수평 하중
• 운동방향에 따른 축방향 추진력
• 편하중으로 인한 피칭 모멘트
• 측면 오프셋으로 인한 요잉 모멘트
• 이동축 주위의 롤링 모멘트
• 가속 및 감속에 의해 발생하는 동적 하중

정적 하중

정적 하중은 모듈이 고정되어 있거나 일정한 저속으로 이동할 때 적용되는 힘입니다. 수평 설치의 경우 주요 수직 하중은 대략 다음과 같습니다.

에프공전=m×g

어디:

• 에프공전뉴턴 단위의 정적 하중입니다.
• 중지원되는 총 질량(킬로그램)입니다.
• g중력 가속도는 약 9.81m/s²입니다.

가속력

움직이는 질량을 가속하는 데 필요한 힘은 다음과 같습니다.

에프액세서리=m×a

어디에이m/s² 단위의 필요한 가속도입니다.

수평축의 경우 추정 추진력은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

에프운전하다= m × a + F마찰+ 에프외부

수직 축의 경우 중력도 포함되어야 합니다.

에프운전하다= m × a + m × g + F마찰+ 에프외부

수직 기어 랙 축에는 일반적으로 브레이크 모터, 평형 장치 또는 기계적 추락 방지 장치가 필요합니다.

순간 하중

오프셋 하중은 캐리지 및 가이드 시스템에 모멘트를 생성합니다.

M = F × L

어디:

• 중순간하중이다
• 에프적용된 힘은
• 엘힘에서 캐리지 중심까지의 거리입니다.

모듈은 충분한 공칭 탑재량을 가질 수 있지만 툴링이 캐리지에서 너무 멀리 확장되면 여전히 부적합합니다. 항상 계산된 피칭, 요잉 및 롤링 모멘트를 제조업체에서 제공한 허용 모멘트 값과 비교하십시오.

3. 필요한 스트로크를 확인하십시오

스트로크는 랙 앤 피니언 액추에이터를 선택하는 주요 이유 중 하나입니다. 랙 구동 시스템은 모듈 베이스를 따라 랙 섹션을 결합하여 장거리 이동을 지원할 수 있습니다.

필요한 유효 스트로크에는 다음이 포함되어야 합니다.

• 일반 출장
• 공구 접근 및 후퇴 거리
• 선적 및 하역 허가
• 센서 및 리미트 스위치 마진
• 감속거리
• 유지보수 또는 서비스 위치

권장되는 축 길이는 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

총 모듈 길이 = 유효 스트로크 + 캐리지 길이 + 끝 간격

긴 스트로크 시스템의 경우 다음 사항도 평가하십시오.

• 전체 길이에 걸친 베이스 직진도
• 랙 조인트 정렬
• 가이드 레일 조인트 정확도
• 지지 간격
• 열팽창
• 케이블 캐리어 길이
• 설치 및 운송 제한

장거리 이동이 자동으로 지원되지 않는 무제한 길이를 의미하는 것은 아닙니다. 지지 기계 프레임은 충분한 강성과 설치 정확도를 제공해야 합니다.

4. 속도, 가속도 및 사이클 시간 계산

최대 속도는 가속 및 사이클 시간과 별도로 선택하면 안 됩니다. 기계는 공칭 속도가 높지만 가속도가 너무 낮거나 이동 거리가 짧은 경우 필요한 사이클 시간을 달성하지 못할 수 있습니다.

축이 가속되었다가 즉시 감속되는 삼각형 모션 프로파일의 경우 최대 속도는 다음과 같습니다.

다섯정점= √(a × S)

어디:

• 다섯정점최고 속도입니다
• 에이가속이다
• 에스이동거리 입니다

사다리꼴 모션 프로파일의 경우 총 이동 시간은 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

티총=t액세서리+ 티끊임없는+ 티12월

전체 주기 시간에는 다음도 포함되어야 합니다.

• 모션 시간
• 도구 작동 시간
• 클램핑 또는 파지 시간
• 센서 확인 시간
• 컨트롤러 지연
• 로딩 및 언 로딩 시간

최대 속도만을 기준으로 모터를 선택하지 마십시오. 모터는 또한 가속 중에 충분한 피크 토크를 제공해야 하며 반복 작동을 위해 충분한 연속 토크를 제공해야 합니다.

5. 랙 모듈 선택

랙 모듈은 기어 톱니의 크기를 설명합니다. 더 큰 랙 모듈은 일반적으로 더 큰 톱니, 더 높은 톱니 강도 및 더 큰 허용 접선력을 제공합니다. 그러나 이는 또한 피니언 크기, 변속기 크기 및 모터 회전당 잠재적인 위치 결정 해상도를 증가시킵니다.

모듈, 피치 직경 및 피니언 톱니 수 간의 관계는 다음과 같습니다.

d = m × z

어디:

• 디피니언 피치 직경입니다
• 중랙 모듈입니다
• 지피니언 톱니 수입니다.

피니언 1회전에 따른 선형 이동량은 대략 다음과 같습니다.

L = π × d = π × m × z

일반적으로 시스템에 다음이 필요할 때 더 큰 모듈이 고려됩니다.

• 더 높은 추진력
• 무거운 페이로드
• 높은 가속도
• 빈번한 시작-정지 작동
• 높은 충격 부하 저항
• 긴 산업 수명

더 작은 모듈은 더 가벼운 전송 해상도를 요구하는 더 가벼운 부하, 컴팩트 시스템 및 애플리케이션에 적합할 수 있습니다.

최종 랙 모듈은 제조업체의 허용 접선력, 톱니 접촉 응력, 윤활 방법 및 예상 사용률을 사용하여 확인해야 합니다.

6. 피니언 직경 선택

피니언 직경은 선형 속도, 출력 힘 및 위치 결정 분해능에 직접적인 영향을 미칩니다.

피니언이 클수록 회전당 더 많은 선형 이동이 발생하고 최대 축 속도가 증가할 수 있습니다. 그러나 동일한 출력 토크의 경우 피치 반경이 클수록 사용 가능한 접선력이 감소합니다.

출력 토크와 선형 구동력 사이의 관계는 다음과 같습니다.

F = T / r

어디:

• 에프접선 추진력이다
• 티피니언 출력 토크
• 아르 자형피니언 피치 반경입니다

피니언이 작을수록 동일한 토크에 대해 더 많은 구동력을 제공하고 선형 분해능이 향상되지만 최대 속도가 제한되고 모터 회전이 증가할 수 있습니다.

톱니 수가 너무 적은 피니언은 톱니 맞물림이 좋지 않거나 마모가 증가할 수도 있습니다. 선택한 피니언은 랙 사양 및 제조업체의 최소 톱니 수 요구 사항과 일치해야 합니다.

7. 기어비 선택

서보 모터와 피니언 사이에는 일반적으로 기어박스가 설치됩니다. 기어비는 출력 토크, 축 속도, 반영된 관성 및 위치 결정 분해능에 영향을 미칩니다.

대략적인 기어박스 출력 토크는 다음과 같습니다.

티밖으로=티모터× 나는 × n

어디:

• 티밖으로기어박스 출력 토크입니다
• 티모터모터 토크는
• 나감소율이다
• 또는기어박스 효율이요

기어박스 출력 속도는 다음과 같습니다.

N밖으로=n모터/ 나

더 높은 감소율은 다음을 제공합니다.

• 더 높은 출력 토크
• 낮은 피니언 속도
• 향상된 모터-부하 관성 매칭
• 더 미세한 이론적 포지셔닝 분해능

그러나 비율이 지나치게 높으면 최대 선형 속도가 감소하고 사이클 시간이 늘어날 수 있습니다.

감소율이 낮을수록 다음이 제공됩니다.

• 더 높은 축 속도
• 하부 기어박스 곱셈
• 특정 동작에 대한 모터 회전수 감소

그러나 모터가 더 많은 토크를 직접 제공해야 합니다.

올바른 기어비는 속도와 토크 요구 사항을 모두 충족해야 합니다.

요구 출력 속도 ≤ 허용 기어박스 출력 속도

필요 출력 토크 × 안전율 ≤ 기어박스 허용 토크

8. 위치 정확도 및 반복성 평가

위치 결정 정확도와 반복성은 서로 다른 사양입니다.

• 위치 정확도전체 스트로크에 걸쳐 실제 위치가 명령된 위치에 얼마나 가까운지를 나타냅니다.
• 반복성동일한 조건에서 축이 동일한 위치로 얼마나 일관되게 복귀하는지를 나타냅니다.

기어 랙 선형 모듈의 전체 위치 오류는 다음의 영향을 받을 수 있습니다.

• 랙 피치 오류
• 랙 조인트 정렬
• 피니언 제조 정확도
• 기어박스 백래시
• 랙 앤 피니언 백래시
• 가이드 레일 직진도
• 베이스 설치 오류
• 서보 튜닝
• 인코더 해상도
• 구조적 편향
• 온도 변화

용접, 자재 이송, 팔레타이징과 같은 응용 분야에서는 절대 정확도보다 반복성이 더 중요할 수 있습니다. 정밀 가공, 측정 또는 레이저 처리의 경우 전체 스트로크 위치 정확도를 높이려면 고급 랙, 백래시가 낮은 기어박스, 엔코더 피드백 또는 보상 교정이 필요할 수 있습니다.

백래시 제어 방법

백래시는 다음을 사용하여 줄일 수 있습니다.

• 정밀 연삭 또는 고정밀 랙
• 백래시가 낮은 유성 기어박스
• 조정 가능한 랙 및 피니언 결합
• 사전 로드된 이중 피니언 시스템
• 적절한 베어링 지원
• 정확한 서보 튜닝
• 선형 인코더 폐쇄 루프 피드백

전체 드라이브 시스템이 해당 성능에 맞게 설계 및 검증되지 않은 경우 백래시가 0이라고 가정해서는 안 됩니다.

9. 설치 방향을 고려하십시오

설치 방향은 가이드 로딩, 모터 토크, 윤활 및 안전 요구 사항에 영향을 미칩니다.

기울어진 축의 경우 이동 방향을 따라 작용하는 중력은 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

에프중력= m × g × 죄 θ

어디나경사각이다.

10. 서보 모터 선택

서보 모터는 속도, 연속 토크, 피크 토크, 관성 일치 및 듀티 사이클 요구 사항을 충족해야 합니다.

모터 속도

필요한 모터 속도는 필요한 선형 속도로부터 추정할 수 있습니다.

N모터= (v × 60 × i) / (π × d)

어디:

• N모터모터 속도는 rpm 단위입니다.
• 다섯m/s 단위의 선형 속도입니다.
• 나변속기 감속비 입니다
• 디피니언 피치 직경(미터)

모터 토크

필요한 피니언 토크는 대략 다음과 같습니다.

티날개= F운전하다×r

필요한 모터 토크는 다음과 같습니다.

티모터=티날개/ (i × n)

다음에 대한 추가 토크가 포함되어야 합니다.

• 기어박스 관성
• 피니언 관성
• 커플링 손실
• 가이드 마찰
• 케이블 캐리어 저항
• 외부 가공 또는 가공력

최대 모터 토크는 가속 및 비상 상황을 포괄해야 하며, 연속 토크는 반복되는 사이클 동안 모터의 정격 열 용량 내에서 유지되어야 합니다.

관성 매칭

과도한 부하 대 모터 관성비는 서보 튜닝을 어렵게 만들고 동적 응답을 감소시킬 수 있습니다. 반영된 부하 관성이 대략 감속비의 제곱에 따라 감소하기 때문에 기어박스는 관성 매칭을 향상시킬 수 있습니다.

제이반영= J짐/i²

허용되는 관성비는 서보 시스템, 기어박스, 제어 요구 사항 및 동작 프로필에 따라 다릅니다.

11. 기어박스를 선택하세요

유성 기어박스는 크기가 작고 토크 밀도가 높으며 백래시가 상대적으로 낮기 때문에 기어 랙 축과 함께 널리 사용됩니다.

기어박스를 선택할 때 다음을 확인하십시오.

• 공칭 출력 토크
• 최대 가속 토크
• 비상 정지 토크
• 허용된 반경방향 및 축방향 하중
• 최대 입력 및 출력 속도
• 백래시
• 비틀림 강성
• 능률
• 서비스 수명
• 윤활 및 장착 방향

기어박스 출력 베어링은 피니언에 의해 생성된 모든 반경 방향 힘을 지원하도록 설계되지 않았을 수 있습니다. 견고한 시스템에서는 독립적인 피니언 베어링 배열이 필요할 수 있습니다.

12. 구조적 강성 확인

기어 랙 모듈은 충분한 추력을 생성할 수 있지만 베이스, 캐리지, 장착 프레임 또는 기계 구조가 하중에 따라 휘어지는 경우 여전히 정확도를 유지하지 못합니다.

구조적 강성은 다음에 대해 평가되어야 합니다.

• 모듈 베이스 벤딩
• 캐리지 플레이트 변형
• 가이드 레일 편향
• 지지 프레임 진동
• 갠트리 시스템의 크로스빔 벤딩
• 툴링 오버행
• 동적 공명

갠트리 로봇의 경우 빔 범위, 이동 하중 및 가속도를 함께 고려해야 합니다. 가속도가 증가하면 정적 페이로드가 변경되지 않은 경우에도 빔 편향 및 진동이 크게 증가할 수 있습니다.

13. 운영 환경 평가

환경 조건은 랙 윤활, 밀봉, 내부식성 및 구성 요소 수명에 영향을 미칩니다.

개방형 랙 드라이브에는 정기적인 윤활이 필요합니다. 먼지나 연마 입자가 윤활유와 혼합되면 치아 마모가 가속화될 수 있습니다. 따라서 선택 과정 초기에 보호 설계를 고려해야 합니다.

14. 적절한 안전계수 적용

안전 계수는 하중 변동, 충격, 계산 오류, 마찰 변화 및 향후 프로세스 조정과 같은 불확실성을 보상합니다.

설계력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

에프설계= F계획된× S

어디에스선택된 안전계수입니다.

안전율은 모터 토크에만 적용되어서는 안됩니다. 랙 톱니, 피니언, 기어박스, 가이드 레일, 베어링, 캐리지, 장착 볼트 및 지지 프레임을 모두 점검해야 합니다.

15. 기어 랙 리니어 모듈 선택 예

다음 요구 사항을 충족하는 수평 자재 취급 축을 고려하십시오.

• 탑재량: 120kg
• 이동 툴링 및 캐리지에 장착된 부품: 40kg
• 총 이동 질량: 160kg
• 유효 스트로크: 6m
• 최대 속도: 2m/s
• 가속도: 3m/s²
• 외부 저항 및 마찰: 150N
• 선택된 안전계수: 1.5

1단계: 가속력 계산

에프액세서리= 160 × 3 = 480N

2단계: 마찰 및 외부 저항 추가

에프계획된= 480 + 150 = 630N

3단계: 안전계수 적용

에프설계= 630 × 1.5 = 945N

4단계: 피니언 토크 추정

피니언 피치 반경이 40mm 또는 0.04m인 경우:

티날개= 945 × 0.04 = 37.8N·m

5단계: 모터 토크 추정

90% 효율의 10:1 기어박스를 사용하는 경우:

티모터= 37.8 / (10 × 0.9) = 4.2 N·m

선택한 모터는 필요한 가속 조건에서 4.2N·m 이상을 제공해야 합니다. 그런 다음 연속 토크, 피크 토크, 관성비 및 듀티 사이클을 별도로 확인해야 합니다.

6단계: 모터 속도 확인

피니언 피치 직경이 80mm인 경우:

N모터= (2 × 60 × 10) / (π × 0.08) ≒ 4,775rpm

선택한 서보 모터가 이 속도에서 지속적으로 작동할 수 없는 경우 피니언 직경, 기어박스 비율 또는 목표 속도를 조정해야 합니다.

이 예는 토크와 속도를 함께 확인해야 하는 이유를 보여줍니다. 기어비가 높을수록 토크는 증가하지만 동일한 선형 속도에 필요한 모터 속도도 증가합니다.

16. 일반적인 선택 실수

총 이동 질량 대신 페이로드 사용

툴링, 고정 장치, 캐리지에 장착된 구성 요소 및 케이블 캐리어를 무시하면 가속력이 과소평가됩니다.

공칭 부하 용량만으로 선택

공칭 탑재량은 충분한 모멘트 용량, 동적 강성 또는 수명을 보장하지 않습니다.

기어박스 백래시 무시

고정밀 랙은 과도한 기어박스 백래시를 보상할 수 없습니다.

지나치게 큰 피니언 선택

큰 피니언은 회전당 선형 이동을 증가시키지만 동일한 출력 토크에 대한 접선력을 감소시킵니다.

토크만을 기준으로 기어비 선택

감속비가 지나치게 높으면 필요한 모터 속도가 허용 작동 범위를 초과할 수 있습니다.

랙 접합 정확도 무시

랙 섹션 간의 정렬이 잘못되면 진동, 소음, 톱니 충격 및 위치 오류가 발생할 수 있습니다.

지지 프레임 무시

유연한 프레임에 장착된 견고한 선형 모듈은 지정된 정확도를 유지할 수 없습니다.

불충분한 윤활 계획

부적절한 윤활은 톱니 마모, 소음 증가, 온도 상승 및 수명 단축을 유발할 수 있습니다.

17. 기어 랙 선형 모듈 선택 체크리스트

자주 묻는 질문

볼 스크류 모듈 대신 기어 랙 선형 모듈을 선택해야 하는 경우는 언제입니까?

기어 랙 모듈은 일반적으로 긴 스트로크, 고속, 무거운 하중 및 여러 섹션을 연결하여 축 길이를 확장해야 하는 응용 분야에 선호됩니다. 에이볼 스크류 모듈소형 변속기 부품으로 고정밀도가 요구되는 짧은 스트로크 및 응용 분야에 더 적합할 수 있습니다.

더 큰 랙 모듈이 항상 더 나은 성능을 제공합니까?

아니요. 모듈이 클수록 톱니 강도와 부하 용량이 증가하지만 크기, 관성 및 피니언 회전당 이동 거리도 증가합니다. 모듈은 필요한 힘, 속도, 정확도 및 듀티 사이클과 일치해야 합니다.

기어박스 비율은 어떻게 선택해야 합니까?

비율은 모터가 토크와 속도 요구 사항을 모두 충족할 수 있도록 해야 합니다. 비율이 높을수록 출력 토크가 증가하고 관성 매칭이 향상되지만 피니언 속도도 감소하고 주어진 선형 속도에 필요한 모터 속도가 증가할 수 있습니다.

기어랙 리니어 모듈을 수직으로 설치할 수 있나요?

예, 하지만 모터는 지속적으로 중력을 극복해야 하며 시스템에는 일반적으로 브레이크 모터, 기계식 추락 방지 장치 또는 평형 장치가 포함되어야 합니다. 수직 유지 및 비상 정지 조건은 별도로 계산해야 합니다.

랙 구동 축의 위치 정확도는 어떻게 결정됩니까?

위치 정확도는 랙 피치 정확도, 랙 조인트 정렬, 피니언 품질, 기어박스 백래시, 가이드 직진도, 기계 프레임 강성, 서보 튜닝, 엔코더 피드백 및 온도 변화에 따라 달라집니다.

안전계수는 얼마만큼 사용해야 합니까?

적절한 안전 계수는 부하 안정성, 가속도, 충격, 설치 방향, 작동 시간 및 고장 결과에 따라 달라집니다. 매끄러운 수평 시스템은 더 낮은 마진을 사용할 수 있는 반면, 수직, 충격 부하 또는 연속 작업 시스템은 일반적으로 더 높은 마진을 요구합니다.

결론

기어 랙 선형 모듈을 선택하려면 기계적 부하, 모션 프로파일, 랙 및 피니언 형상, 기어박스, 서보 모터, 위치 지정 요구 사항, 설치 방향 및 작동 환경을 완벽하게 평가해야 합니다.

가장 중요한 단계는 총 이동 질량을 계산하고, 필요한 구동력을 결정하고, 모멘트 하중을 확인하고, 적절한 랙 모듈 및 피니언 직경을 선택하고, 모터 속도에 대해 기어박스 토크의 균형을 맞추고, 전체 기계 구조의 강성을 확인하는 것입니다.

적절하게 선택된 랙 앤 피니언 액추에이터는 장거리 산업 자동화를 위한 확장 가능한 스트로크, 고속, 강력한 부하 용량 및 안정적인 작동을 제공합니다. 까다로운 애플리케이션의 경우 실제 동작 프로필, 듀티 사이클, 구조 레이아웃 및 제조업체별 부하 데이터를 사용하여 최종 선택을 확인해야 합니다.