Tipos de módulos lineares de cremalheira e pinhão: cremalheiras retas vs helicoidais

Cremalheira e pinhãomódulos linearessão amplamente utilizados para movimentos de longo curso, alta velocidade e serviço pesado porque o comprimento do acionamento pode ser estendido sem a necessidade de um parafuso giratório longo. Mas "módulo de cremalheira e pinhão”abrange várias estruturas muito diferentes.

A maneira mais útil de entendertipos de módulos lineares de cremalheira e pinhãoé classificá-los por formato do dente, disposição do acionamento, método de pré-carga, nível de proteção e arquitetura da máquina. Uma cremalheira reta com um pinhão, uma cremalheira helicoidal com dois pinhões pré-carregados, um eixo fechado de longo curso e um pórtico pesado de dois lados podem pertencer à mesma família de produtos, embora tenham desempenho muito diferente.

Este guia explica os principais designs de módulos de rack e mostra onde racks retos, racks helicoidais, unidades de pinhão único e duplo, layouts de rack de lado único e duplo, estruturas abertas/fechadas e configurações para serviços pesados ​​se adaptam melhor.

Módulos de cremalheira e pinhão podem ser classificados em diversas dimensões

• Cremalheira de dentes retos ou helicoidais
• Acionamento de pinhão único ou pinhão duplo
• Unidade de rack de lado único ou lado duplo
• Módulo aberto, semifechado ou fechado
• Estrutura padrão, de corpo largo ou para serviços pesados
• Carro único ou carro de pórtico
• Motor único ou motor duplo sincronizado
• Seção de rack única ou curso longo de múltiplas seções

Importante:estas são dimensões de classificação diferentes. Um módulo pode ser helicoidal, de pinhão duplo, fechado e resistente ao mesmo tempo.

Módulos lineares de rack reto

Uma cremalheira reta usa dentes perpendiculares à direção de deslocamento. O pinhão correspondente também possui dentes retos.

As vantagens típicas incluem:

• Geometria dentária simples
• Fácil fabricação e inspeção
• Boa eficiência
• Nenhum componente de impulso axial da engrenagem do ângulo da hélice
• Ampla disponibilidade
• Movimento de longo curso econômico

Onde módulos de rack retos são comumente usados

• Manuseio de materiais
• Automação de armazéns
• Eixos de transferência grandes
• Sistemas gerais de pórtico
• Carregamento da máquina
• Curso longo onde ruído moderado e suavidade são aceitáveis

Módulos lineares de rack helicoidal

Uma cremalheira helicoidal usa dentes angulados em relação à direção de deslocamento. O pinhão helicoidal correspondente engata progressivamente em vez de em toda a largura do dente de uma só vez.

Isso pode fornecer:

• Engajamento dentário mais suave
• Maior taxa de contato em muitos projetos
• Ondulação de transmissão reduzida
• Menor ruído de impacto com qualidade e condições operacionais equivalentes
• Boa adequação para movimentos precisos de longo curso

Cremalheiras helicoidais também criam força axial

Como os dentes são angulados, o pinhão produz um componente de força axial. Os rolamentos, o eixo de saída da caixa de engrenagens e a estrutura de montagem do motor devem ser projetados para reagir a esta força.

Helicoidal não significa automaticamente “mais preciso”.A precisão ainda depende do grau da cremalheira, da qualidade do pinhão, da folga da caixa de engrenagens, da pré-carga, da instalação e do feedback.

Rack reto vs helicoidal: comparação rápida

Módulos de rack de pinhão único

Um sistema de pinhão único usa um pinhão engrenado com uma cremalheira para gerar movimento linear.

É a arquitetura de unidade mais simples e é comum quando:

• A reação moderada é aceitável
• A caixa de câmbio já oferece folga suficientemente baixa
• O movimento é principalmente unidirecional
• Custo e simplicidade são importantes
• A aplicação é orientada para o transporte e não para o contorno de precisão

O que limita a precisão do pinhão único?

O desempenho da reversão depende de:

• Folga da caixa de velocidades
• Folga do pinhão da cremalheira
• Excentricidade do pinhão
• Ajuste de distância central
• Rigidez de montagem

Módulos de rack de pinhão duplo

Um sistema de pinhão duplo usa dois pinhões no mesmo rack. Os dois acionamentos podem ser polarizados mecanicamente ou eletronicamente um contra o outro para reduzir a folga efetiva.

Razões comuns para usar pinhões duplos incluem:

• Comportamento de reversão aprimorado
• Maior rigidez torcional
• Folga efetiva reduzida
• Posicionamento de longo curso de alta precisão
• Contorno de máquina grande

Pré-carga mecânica com dois pinhões

Dois pinhões podem ser pré-carregados mecanicamente para que os flancos dos dentes entrem em contato com lados opostos dos dentes da cremalheira.

Isto pode reduzir o movimento livre durante a inversão de direção.

A pré-carga deve ser controlada cuidadosamente porque a pré-carga excessiva pode aumentar:

• Fricção da malha de engrenagem
• Aquecer
• Desgaste dos dentes
• Carga da caixa de velocidades

Pré-carga eletrônica de pinhão duplo

Em sistemas pré-carregados eletronicamente, dois servoacionamentos aplicam uma polarização de torque controlada em direções opostas enquanto ainda produzem a força resultante necessária no eixo.

Esta arquitetura pode fornecer:

• Supressão de folga ativa
• Alta rigidez de acionamento
• Ajuste flexível de pré-carga

Mas também acrescenta:

• Dois motores ou canais de acionamento
• Complexidade de controle
• Carga térmica do torque de pré-carga
• Mais trabalho de comissionamento

Pinhão Único vs Pinhão Duplo

Unidade de rack de lado único

Um layout de rack de lado único usa um rack ao longo de um lado da estrutura móvel.

Isto é comum para carros estreitos e módulos de eixo único onde o sistema de guia pode resistir ao momento de guinada induzido pelo acionamento.

As vantagens incluem:

• Arquitetura simples
• Menor contagem de componentes
• Custo mais baixo
• Fácil manutenção

Unidade de rack de dois lados

Um layout de rack de dois lados coloca racks em ambos os lados de um amplo pórtico ou estrutura de máquina. Cada lado geralmente tem seu próprio pinhão e muitas vezes seu próprio motor/caixa de engrenagens.

Isto é fundamentalmente diferente de um sistema de pré-carga de pinhão duplo em um rack.

A unidade lateral dupla é útil para:

• Pórticos largos
• Vigas pesadas
• Máquinas-ferramentas de grande formato
• Robôs cartesianos
• Sistemas de paletização de longo curso

Por que pórticos largos precisam de acionamento de dois lados

Se um pórtico largo for acionado apenas de um lado, a força motriz pode torcer ou quebrar a viga transversal.

O acionamento lateral duplo distribui a força de forma mais simétrica e reduz:

• Inclinação do pórtico
• Guia de desequilíbrio de carregamento
• Torção da viga mestra

Contudo, ambos os lados devem permanecer sincronizados.

A unidade de dois lados requer esquadria eletrônica e mecânica

Um pórtico de acionamento duplo deve gerenciar:

• Retorno independente
• Sincronização do motor
• Esquadria da viga transversal
• Correspondência de pitch de rack
• Paralelismo de guia

O controle não consegue corrigir totalmente o mau alinhamento mecânico.A sincronização eletrônica deve manter um pórtico construído corretamente e não compensar uma estrutura severamente torcida.

Rack único versus rack duplo não é o mesmo que pinhão único versus pinhão duplo

Módulos de cremalheira e pinhão abertos

Um módulo aberto deixa a área da cremalheira, do pinhão ou da guia mais acessível.

As vantagens incluem:

• Inspeção fácil
• Lubrificação fácil
• Fácil alinhamento do rack
• Substituição conveniente
• Menor complexidade de cobertura

Projetos abertos são comuns dentro de gabinetes protegidos de máquinas ou ambientes industriais limpos.

Módulos de cremalheira e pinhão fechados

Os projetos fechados utilizam tampas, perfis, tiras de aço ou invólucros externos para reduzir a contaminação direta do rack e do sistema de guia.

Os benefícios potenciais incluem:

• Melhor proteção contra detritos
• Aparência externa mais limpa
• Contato acidental reduzido
• Ambiente de lubrificação mais controlado

Mas “fechado” não significa automaticamente à prova d'água, à prova de poeira de acordo com uma classificação IP específica ou com certificação para sala limpa.

Projetos semifechados

Módulos semifechados equilibram proteção com acesso para manutenção.

Eles podem ser úteis onde:

• É necessária proteção moderada contra poeira
• A inspeção do rack deve permanecer fácil
• O custo precisa permanecer menor do que um sistema totalmente fechado

Módulos de rack abertos e fechados

Módulos de rack para serviço padrão

Os módulos de serviço padrão são projetados para automação geral onde os requisitos de carga, impulso e momento são moderados.

As aplicações típicas incluem:

• Transferência de material
• Embalagem
• Movimento geral do pórtico
• Manuseio de armazém
• Pick-and-place de eixo longo

Módulos de pinhão e cremalheira para serviços pesados

UMmódulo de rack resistentenormalmente usa alguma combinação de:

• Módulo de rack maior
• Pinhão maior
• Caixa de câmbio de maior torque
• Espaçamento de guia mais amplo
• Guias lineares maiores
• Carro e estrutura de base mais fortes
• Unidade lateral dupla

O serviço pesado deve ser definido pela carga real do dente, capacidade da guia, torque da caixa de engrenagens e rigidez estrutural, e não apenas pela aparência.

O que significa “Módulo de engrenagem”

Na terminologia de engrenagem, o módulo descreve o tamanho do dente. Um módulo de engrenagem maior geralmente significa dentes maiores e pode suportar maior carga dentária quando outros fatores de projeto são adequados.

Mas aumentar o módulo também afeta:

• Diâmetro do pinhão
• Taxa de transmissão
• Engajamento dentário
• Espaço
• Resolução por rotação do motor

Portanto, um módulo maior não é automaticamente melhor para todos os eixos de carga pesada.

Módulos de rack de precisão de passo fino

Módulos de rack orientados para precisão podem usar espaçamento menor, maior qualidade de rack e montagem rigorosamente controlada.

Eles podem ser úteis para:

• Inspeção
• Usinagem
• Corte a laser
• Metrologia de grande formato

A precisão depende da cadeia completa: cremalheira, pinhão, caixa de engrenagens, pré-carga, montagem e feedback.

Projetos de alta velocidade com pinhão grande

Para uma determinada rpm do pinhão, um diâmetro primitivo maior produz um deslocamento mais linear por rotação.

Isso pode reduzir as rpm necessárias do motor/caixa de engrenagens para uma velocidade linear alvo.

Mas um pinhão maior também requer mais torque para o mesmo empuxo linear:

T = F × r

Portanto, o diâmetro do pinhão cria uma compensação entre velocidade e impulso semelhante ao diâmetro da polia em sistemas de correia.

Módulos de rack baseados em caixa de engrenagens

Os acionamentos de cremalheira freqüentemente usam uma caixa de engrenagens planetária ou outra caixa de redução entre o servo motor e o pinhão.

A caixa de velocidades pode fornecer:

• Maior torque de saída
• Melhor utilização da velocidade do motor
• Correspondência de inércia

Mas também acrescenta:

• Retaliação
• Conformidade torcional
• Perda de eficiência
• Custo

A qualidade da caixa de engrenagens é, portanto, uma parte importante do desempenho do módulo de rack.

Configurações de pinhão de acionamento direto

Alguns sistemas acionam o pinhão com pouca ou nenhuma redução, especialmente onde a alta velocidade e a baixa complexidade mecânica são prioridades.

Isto requer um dimensionamento cuidadoso do motor porque o motor deve fornecer diretamente o torque necessário do pinhão.

Módulos de rack multiseção de longo curso

Uma das maiores vantagens do rack drive é que o rack pode ser montado a partir de múltiplas seções.

Isso permite:

• Curso multímetro
• Extensão modular da máquina
• Transporte e instalação mais fáceis
• Substituição de seções individuais de rack

As juntas da cremalheira devem preservar a continuidade dos dentes

A instalação de múltiplas seções deve controlar:

• Continuidade do tom
• Fase dentária
• Altura do rack
• Alinhamento lateral
• Retidão de montagem

Articulações ruins podem criar impacto, ruído e erros periódicos de posicionamento.

Rack de precisão versus rack padrão

A precisão do rack não é a mesma que a precisão do eixo

O posicionamento final também depende de:

• Qualidade do pinhão
• Excentricidade do pinhão
• Folga da caixa de velocidades
• Montagem em rack
• Retidão do guia
• Estrutura da máquina
• Expansão térmica
• Sistema de feedback

A precisão no nível do eixo deve ser validada no deslocamento real.Um rack de alta qualidade por si só não garante alta precisão da máquina.

Módulos de rack de carro único

Uma arquitetura de carro único é comum para uma ferramenta, acessório ou eixo móvel.

Ele fornece:

• Controle simples
• Estrutura móvel compacta
• Integração fácil

Sistemas de transporte múltiplo e de transporte independente

Racks longos também podem suportar vários carros móveis, cada um com seu próprio acionamento.

Isso pode ser útil para:

• Múltiplas cabeças de processamento
• Estações independentes de coleta e colocação
• Grandes linhas de produção

A prevenção de colisões e a arquitetura de controle tornam-se importantes quando vários vagões compartilham a mesma zona de deslocamento.

Módulos de rack horizontais

A montagem horizontal é o arranjo mais comum.

As principais verificações incluem:

• massa em movimento
• Aceleração
• Impulso necessário
• Carga de momento guia
• Retenção de lubrificação

Módulos de Rack Verticais

As unidades de rack também podem ser usadas verticalmente, mas a gravidade e a segurança devem ser incluídas.

Verificar:

• Força gravitacional
• Freio do motor
• Retrocesso da caixa de câmbio
• Energia regenerativa
• Proteção mecânica anti-queda

Não presuma que o atrito da caixa de engrenagens fornece uma função de retenção com classificação de segurança.

Módulos Rack para Sistemas Cartesianos XYZ

O acionamento por rack é especialmente útil no longo eixo X de um sistema cartesiano.

Uma arquitetura mista comum é:

• Eixo X de cremalheira e pinhão para curso longo
• Eixo Y do parafuso esférico para posicionamento cruzado preciso
• Parafuso de esfera ou eixo Z do cilindro elétrico dependendo da função

Cada eixo deve ser selecionado de acordo com seu próprio requisito de movimento.

Módulos de Rack para Grandes Pórticos

Grandes pórticos geralmente combinam:

• Racks de dois lados
• Dois servo motores
• Caixas de câmbio
• Trilhos guia com amplo espaçamento
• Viga rígida

Essa estrutura é comum em usinagem, processamento a laser, paletização e automação de grandes formatos.

Módulos helicoidais de precisão de pinhão duplo

Para aplicações que exigem posicionamento suave de longo curso com baixa folga, uma arquitetura possível é:

• Cremalheira helicoidal
• Pinhões pré-carregados duplos
• Caixa de velocidades com folga reduzida
• Sistema de guia de precisão
• Codificador linear direto quando necessário

Isso pode fornecer alto desempenho, mas também é mais caro e complexo do que um módulo de pinhão único de rack reto padrão.

Módulos econômicos retos de pinhão único

Quando a aplicação necessita principalmente de transporte confiável de longa distância, uma cremalheira reta com um pinhão pode ser uma solução prática e de baixa complexidade.

As prioridades típicas são:

• Viagem longa
• Precisão moderada
• Manutenção simples
• Controle de custos

Módulos de pórtico de dois lados para serviços pesados

Para pórticos muito largos ou pesados, uma arquitetura comum para serviços pesados ​​é:

• Rack em ambos os lados
• Servocaixa de velocidades em ambos os lados
• Módulo de engrenagem grande
• Guias lineares de alta capacidade
• Viga de aço rígido ou alumínio reforçado

O compartilhamento de carga e a sincronização são essenciais.

Como combinar o tipo de módulo com o aplicativo

Erros comuns de seleção de tipo de módulo de rack

Assumir que a cremalheira helicoidal sempre significa maior precisão

A geometria helicoidal melhora a suavidade do engate, mas a precisão final ainda depende do grau da cremalheira, da pré-carga, da caixa de engrenagens, da montagem e do feedback.

Confundindo pinhão duplo com rack lateral duplo

O pinhão duplo geralmente controla a folga em um rack. O rack de dois lados aciona ambos os lados de um amplo pórtico.

Escolhendo serviço pesado apenas com base no tamanho do dente

A capacidade da guia, o torque da caixa de engrenagens, a rigidez do carro e a estrutura da máquina também devem aumentar adequadamente.

Ignorando o alinhamento da junta do rack

Cursos longos podem perder suavidade e precisão em juntas de seção mal instaladas.

Usando pré-carga excessiva

Muita pré-carga aumenta o atrito, o calor e o desgaste.

Presumir que fechado significa livre de manutenção

Dentes da cremalheira, guias, caixas de engrenagens e lubrificação ainda requerem inspeção.

Um fluxo de trabalho prático de seleção de módulo de cremalheira e pinhão

1. Defina a viagem necessária.
2. Defina massa em movimento e centro de gravidade.
3. Defina velocidade e aceleração máximas.
4. Calcule o empuxo linear necessário.
5. Defina repetibilidade e posicionamento absoluto separadamente.
6. Selecione a forma do dente reto ou helicoidal.
7. Determine se é necessário um pinhão simples ou duplo.
8. Determine se um pórtico largo precisa de acionamento unilateral ou bilateral.
9. Selecione o módulo da cremalheira, o tamanho do pinhão e a relação da caixa de engrenagens.
10. Verifique as cargas guia e a capacidade de momento.
11. Escolha proteção aberta, semifechada ou fechada.
12. Planeje o alinhamento da seção do rack para viagens longas.
13. Defina o acesso para lubrificação e manutenção.
14. Valide a vibração, a folga e o posicionamento durante todo o percurso.

O que QRXQ precisa para recomendar um tipo de módulo de rack

• Viagem necessária
• massa em movimento
• Posição do centro de gravidade
• Velocidade máxima
• Aceleração
• Impulso necessário
• Precisão de posicionamento
• Repetibilidade
• Estrutura de carro único ou pórtico
• Largura de instalação disponível
• Ambiente de trabalho
• Ciclo de trabalho diário

Não existe um único tipo de módulo de cremalheira e pinhão “melhor”.A forma do dente, a contagem de pinhão, o layout do rack, o gabinete e a estrutura para serviço pesado resolvem diferentes problemas de engenharia.

QRXQ avalia módulos lineares de cremalheira e pinhão desde a arquitetura de movimento completa, combinando cremalheiras retas ou helicoidais, pinhões simples ou duplos, acionamento lateral simples ou duplo, nível de proteção e capacidade estrutural para a aplicação real de longo curso.