Объяснение технических характеристик линейного модуля Gear Rack

Характеристики линейного модуля зубчатой ​​рейки определяют, сможет ли линейная ось безопасно выдерживать требуемую полезную нагрузку, ход, скорость, ускорение и характеристики позиционирования. В отличие от систем с шарико-винтовой передачей, реечная передача может перемещаться на очень большие расстояния, не ограничиваясь биением винта или критической скоростью вращения. Однако правильный размер требует большего, чем просто проверка максимальной нагрузки и хода.

Модуль рейки, диаметр шестерни, передаточное число коробки передач, крутящий момент, допустимый момент, жесткость конструкции, смазка и конфигурация управления — все это влияет на конечную производительность системы. В этом руководстве объясняются характеристики линейного модуля главной зубчатой ​​рейки и показано, как их следует оценивать вместе при выборе привода.

Технические характеристики линейного модуля Key Gear Rack

Грузоподъемность

Полезная нагрузка – это масса, которую может перемещать линейный модуль зубчатой ​​рейки, сохраняя при этом заданную скорость, точность и срок службы. Обычно он включает в себя нечто большее, чем саму заготовку. Полная движущаяся масса может включать в себя:

• Заготовки или изделия
• Крепления и монтажные пластины
• Захваты, сварочные головки, камеры или дозирующее оборудование
• Двигатели и вторичные оси, установленные на каретке
• Кабельные держатели, шланги и другие движущиеся аксессуары

Номинальную полезную нагрузку не следует рассматривать как изолированную величину. Модуль может выдерживать большую статическую нагрузку, но требует более низкой рабочей нагрузки, когда он подвергается сильному ускорению, частому реверсу, ударам или смещению центра тяжести.

Статическая нагрузка и динамическая нагрузка

Статическая нагрузка – это нагрузка, поддерживаемая кареткой, когда она неподвижна или движется очень медленно. Динамическая нагрузка включает в себя дополнительные силы, возникающие при ускорении, замедлении и изменении направления.

Силу ускорения можно оценить по формуле:

Фа= м × а

Где:

• Фаэто сила ускорения в ньютонах
• мобщая движущаяся масса в килограммах
• аускорение в метрах в секунду в квадрате

Для горизонтальной оси общая движущая сила может включать в себя силу ускорения, трение, технологическую силу, сопротивление кабеля и внешнее сопротивление:

Фобщий= Фа+ Фтрение+ Фпроцесс+ Фвнешний

Для наклонной или вертикальной установки также необходимо учитывать гравитацию. Для вертикальных осей обычно требуется стояночный тормоз или другой механизм предотвращения падения, чтобы предотвратить неконтролируемое движение при отключении питания.

Используйте коэффициент безопасности

Следует применять подходящий коэффициент безопасности для учета изменений нагрузки, вибрации, ударов, ошибок при установке и будущих эксплуатационных изменений. Требуемый коэффициент безопасности зависит от рабочего цикла и серьезности применения. Непрерывная промышленная эксплуатация, резкие движения и неопределенные нагрузки обычно требуют большего расчетного запаса, чем плавное прерывистое движение.

Ход и максимальный ход

Ход — это полезное расстояние, которое может пройти каретка. Реечные системы особенно подходят для длинноходовой автоматизации, поскольку секции реек можно устанавливать непрерывно вдоль алюминиевого профиля или стальной балки.

При определении необходимого хода учитывайте:

• Фактический технологический процесс
• Дистанция ускорения и замедления
• Конечный зазор
• Положения концевого выключателя и датчиков
• Длина инструмента и размеры заготовки
• Доступ для обслуживания и загрузки
• Возможное будущее расширение

Общая длина модуля всегда больше полезного хода, поскольку требуется место для каретки, концевых конструкций, защитных компонентов и защиты от перебега.

Точность соединения стоек

Для очень длинных осей обычно используется несколько секций стойки. Расположение суставов влияет на плавность движения, уровень шума и точность позиционирования. Неправильное расстояние между стойками в соединении может привести к внезапному изменению зацепления зубьев, вызывая вибрацию, удары и местный износ.

Для систем с длинным ходом монтажная поверхность также должна сохранять достаточную прямолинейность, плоскостность и жесткость. Выдвижение стойки не гарантирует автоматически, что вся ось будет сохранять одинаковую точность на протяжении всего пути.

Стойочный модуль

Реечный модуль является одной из наиболее важных характеристик реечного привода. Он определяет размер зубьев шестерни и рассчитывается из соотношения между делительным диаметром шестерни и количеством зубьев:

м = дп÷ я

Где:

• мэто модуль шестерни
• дп- диаметр шага шестерни
• яколичество зубьев шестерни

Модуль рейки большего размера обычно имеет более крупные и прочные зубья, что позволяет трансмиссии выдерживать большую тангенциальную силу. Однако увеличение модуля также увеличивает физический размер, вес и стоимость узла реечной передачи.

При выборе модуля стойки следует учитывать:

• Требуемая линейная движущая сила
• Пиковая сила ускорения
• Крутящий момент шестерни
• Зубной материал и термическая обработка
• Ширина лицевой поверхности шестерни
• Рабочий цикл
• Удары и вибрация
• Ожидаемый срок службы
• Требуемая точность и плавность

Модуль сам по себе не определяет полную грузоподъемность. Две стойки с одним и тем же модулем могут иметь разные допустимые усилия из-за различий в материале, твердости, ширине зубьев, качестве изготовления и способе крепления.

Шпорная стойка и спиральная стойка

В зубчатых рейках используются прямые зубья, что обеспечивает простую, эффективную и экономичную конструкцию трансмиссии. Спиральные рейки включаются более плавно и могут обеспечить более плавное движение, более низкий уровень шума и более высокий коэффициент контакта зубьев. Однако косозубая передача может создавать дополнительную осевую силу, которая должна поддерживаться подшипниковой и направляющей конструкцией.

Диаметр шестерни

Шестерня преобразует вращательное движение двигателя в линейное движение вдоль рейки. Диаметр делителя напрямую влияет на линейный ход за оборот, выходное усилие, максимальную скорость и разрешение позиционирования.

Диаметр шага составляет:

дп= м × z

Теоретический линейный ход за один оборот шестерни составляет:

лоборот= π × dп

Шестерня большего размера перемещает каретку дальше за один оборот и может увеличить линейную скорость при той же скорости вращения. Однако больший диаметр шага также требует большего крутящего момента для создания той же линейной силы.

Шестерня меньшего размера обеспечивает меньший ход за оборот, что может улучшить механическое разрешение и снизить требуемый крутящий момент шестерни. Шестерню нельзя делать произвольно маленькой, поскольку необходимо также учитывать геометрию зуба, прочность зуба, риск подреза и размеры подшипника.

Передаточное число

Редуктор обычно устанавливается между серводвигателем и шестерней. Передаточное число обычно выражается как:

я = пмотор÷ ншестерня

Где:

• яэто коэффициент уменьшения
• нмоторэто скорость двигателя
• ншестерняскорость шестерни

Более высокое передаточное число снижает скорость шестерни, одновременно увеличивая доступный выходной крутящий момент. Это также может улучшить разрешение команд, поскольку для того же линейного перемещения требуется больше оборотов двигателя.

Более низкое передаточное число обеспечивает более высокую линейную скорость, но обеспечивает меньшее увеличение крутящего момента. Выбранное передаточное число должно поддерживать эффективный диапазон скорости и крутящего момента двигателя во время ускорения, движения с постоянной скоростью и замедления.

При выборе коробки передач также следует учитывать:

• Номинальный и пиковый выходной крутящий момент
• Люфт
• Торсионная жесткость
• Эффективность
• Максимальная скорость ввода
• Радиальная и осевая нагрузка
• Крутящий момент аварийной остановки
• Срок службы

Максимальная скорость

Теоретическая линейная скорость привода зубчатой ​​рейки может быть рассчитана по скорости шестерни и делительному диаметру:

v = π × dп× ншестерня ÷ 60

Где:

• влинейная скорость в метрах в секунду
• дп- диаметр шага шестерни в метрах
• ншестерняскорость шестерни в оборотах в минуту

Практическая максимальная скорость может быть ниже теоретического результата. Оно может быть ограничено:

• Максимальная скорость двигателя
• Ограничения входной и выходной скорости коробки передач
• Производительность направляющей системы
• Качество зацепления реечной передачи
• Состояние смазки
• Устойчивость каретки
• Структурная вибрация
• Скорость кабельной несущей
• Требования к шуму
• Настройка контроллера и сервоприводов

Длинный ход не означает автоматически неограниченную рабочую скорость. По мере того как ось становится длиннее, все большее значение приобретают отклонение луча, точность монтажа, собственная частота и прокладка кабелей.

Ускорение и замедление

Ускорение напрямую влияет на время цикла, но оно также увеличивает силу и крутящий момент, требуемые от трансмиссии. Высокое ускорение может создавать значительные динамические нагрузки, даже если полезная нагрузка относительно невелика.

Полная спецификация ускорения должна включать:

• Максимальное ускорение
• Нормальное рабочее ускорение
• Максимальное замедление
• Аварийное торможение
• Скорость перехода рывка или ускорения
• Количество циклов в минуту

Плавный S-образный профиль движения может снизить удары, вибрацию и воздействие на зубья по сравнению с резким профилем ускорения. Настройка сервопривода должна соответствовать механической жесткости оси, а не использовать максимально доступные настройки усиления.

Точность позиционирования

Точность позиционирования показывает, насколько близко фактическое положение каретки соответствует заданному положению на протяжении всего хода. Это абсолютная характеристика производительности, и ее не следует путать с повторяемостью.

На точность позиционирования линейного модуля зубчатой ​​рейки могут влиять:

• Ошибка шага стойки
• Выравнивание стыков стоек
• Люфт коробки передач
• Люфт рейки и шестерни
• Биение шестерни
• Прямолинейность направляющей
• Точность базового монтажа
• Структурный прогиб
• Тепловое расширение
• Разрешение кодировщика
• Ошибка сервоуправления

В приложениях, требующих высокой абсолютной точности при большом ходе, можно установить линейный энкодер для непосредственного измерения фактического положения каретки. Это создает полную замкнутую систему и может компенсировать некоторые ошибки передачи и шага. Однако он не может исправить недостаточную жесткость, плохую установку стойки или чрезмерный механический износ.

Повторяемость

Повторяемость описывает способность каретки возвращаться в одно и то же положение при одних и тех же условиях эксплуатации. Система может иметь хорошую повторяемость, даже если присутствует постоянное абсолютное смещение позиционирования.

Повторяемость особенно важна для:

• Операции по подбору и размещению
• Загрузка и разгрузка машины
• Сварка
• Дозирование
• Упаковка
• Сборка
• Инспекция
• Обработка материалов

Люфт, жесткость привода, направление нагрузки, температура и настройка сервопривода — все это влияет на повторяемость. Для двунаправленного позиционирования характеристики следует оценивать при приближении к цели с обоих направлений, поскольку реверс привода может привести к ошибкам редуктора и зазора зубьев.

Приводной крутящий момент

Крутящий момент привода должен быть достаточным для создания требуемой линейной силы на шестерне. Связь между тангенциальной движущей силой и крутящим моментом шестерни следующая:

Тшестерня= Фобщий× дп ÷ 2

Где:

• Тшестернякрутящий момент на шестерне
• Фобщийобщая необходимая линейная сила
• дп- диаметр шага шестерни

При использовании редуктора приблизительный требуемый крутящий момент двигателя может быть выражен как:

Тмотор= Фобщий× дп÷ (2 × я × ч)

Где:

• яэто передаточное число коробки передач
• илиэто комбинированный КПД передачи

При выборе двигателя необходимо учитывать как непрерывный, так и пиковый крутящий момент. Непрерывный крутящий момент связан с тепловыми характеристиками во время повторяющихся операций, тогда как пиковый крутящий момент необходим во время ускорения, замедления, реверса и аварийной остановки.

Отраженную инерцию движущейся системы также следует сравнить с инерцией двигателя. Неподходящее соотношение инерции может затруднить настройку сервопривода и привести к вибрации, перерегулированию или медленному стабилизации.

Допустимый момент

Допустимый момент определяет максимальную вращательную нагрузку, которую могут выдержать направляющая и каретка. Обычно его делят на три направления:

• Момент крена:Вращение вокруг направления движения
• Момент подачи:Наклон каретки вперед или назад
• Момент отклонения:Вращение в горизонтальной плоскости

Моментная нагрузка создается, когда центр тяжести полезной нагрузки или технологическая сила смещены относительно центра каретки:

М = F × е

Где:

• Мэто приложенный момент
• Фэто приложенная сила
• еэто перпендикулярное расстояние смещения

Относительно легкая полезная нагрузка все же может перегрузить систему направляющих, если она установлена ​​далеко от каретки. Поэтому полезную нагрузку и допустимый момент всегда следует проверять вместе.

Моментную способность можно улучшить за счет:

• Увеличение расстояния между направляющими блоками
• Использование более широкой каретки
• Использование двух параллельныхлинейные модули
• Добавление внешнего руководства по поддержке
• Уменьшение смещения нагрузки
• Увеличение жесткости основания

Для многоосных портальных систем вес и смещение второстепенных осей должны быть включены в расчет момента несущей оси.

Требования к смазке

Правильная смазка снижает трение, износ зубьев, шум и коррозию. Это также помогает поддерживать стабильную эффективность передачи и срок службы.

В спецификации смазки должно быть указано:

• Рекомендуемый тип смазки или масла
• Метод смазки
• Начальное количество смазки
• Интервал смазки
• Диапазон рабочих температур
• Совместимость с рабочей средой

Интервалы смазки зависят от рабочей скорости, расстояния перемещения, нагрузки, рабочего цикла, загрязнения и условий окружающей среды. Высокоскоростные, непрерывные или пыльные системы могут требовать более частой смазки, чем низкоскоростные системы, работающие в чистой среде.

Автоматические системы смазки часто подходят для осей с длинным ходом, поскольку они наносят контролируемое количество смазки непосредственно на поверхность зуба. Защитные чехлы, щетки или очистители также могут уменьшить загрязнение пылью и мусором, образующимся при обработке.

Следует избегать чрезмерного использования смазки, поскольку она может притягивать загрязнения, повышать сопротивление и распространяться на окружающее оборудование. Смазочные материалы нельзя смешивать, если их химическая совместимость не подтверждена.

Как спецификации влияют друг на друга

Характеристики линейного модуля зубчатой ​​рейки не следует выбирать самостоятельно. Изменение одного параметра обычно влияет на несколько других.

Процесс выбора линейного модуля зубчатой ​​рейки

1. Определите полную движущуюся массу.Включите полезную нагрузку, приспособление, оборудование, установленное на тележке, кабельный транспортер и вторичные оси.
2. Определите необходимый ход.Добавьте технологическое перемещение, безопасное расстояние, расстояние ускорения и доступ для обслуживания.
3. Определите профиль движения.Укажите максимальную скорость, ускорение, замедление, время в пути, время задержки и частоту цикла.
4. Рассчитайте общую движущую силу.Включите инерцию, трение, технологическую силу, гравитацию и внешнее сопротивление.
5. Выберите модуль рейки и шестерню.Проверьте силу зуба, крутящий момент, коэффициент эксплуатации, рабочий цикл и ожидаемый срок службы.
6. Выберите передаточное число коробки передач.Сбалансируйте скорость двигателя, выходной крутящий момент и необходимое линейное разрешение.
7. Проверьте направляющую нагрузку и допустимые моменты.Учитывайте фактический центр нагрузки и силы всего установленного оборудования.
8. Проверьте точность и повторяемость.Учитывайте класс стойки, соединения, люфт, конфигурацию энкодера и точность монтажа.
9. Проверьте жесткость конструкции.Проверьте опорную балку, монтажную поверхность, пластину каретки и раму машины.
10. Дайте определение смазке и защите.Выберите метод смазки, защитные крышки и меры контроля загрязнения.
11. Примените соответствующий коэффициент безопасности.Учитывайте удары, неопределенные нагрузки, аварийную остановку и длительный износ.

Распространенные ошибки выбора спецификации

Проверка только максимальной полезной нагрузки

Максимальная полезная нагрузка не показывает, может ли модуль выдержать фактическое ускорение, смещенную нагрузку, технологическую силу или рабочий цикл. Также необходимо проверить динамическую силу и допустимые моменты.

Игнорирование центра нагрузки

Груз, установленный далеко от каретки, создает большой момент, даже если его масса ниже номинальной грузоподъемности. Это может сократить срок службы направляющих и снизить стабильность позиционирования.

Выбор скорости без проверки крутящего момента

Большая шестерня или низкое передаточное число коробки передач могут обеспечить требуемую теоретическую скорость, но оставить недостаточный крутящий момент для ускорения и сопротивления процессу.

Путаница между точностью и повторяемостью

Хорошая повторяемость не гарантирует хорошую абсолютную точность позиционирования. Приложения с длинным ходом могут потребовать компенсации ошибок стойки или прямой линейной обратной связи.

Игнорирование соединений стоек

Плохое выравнивание между секциями стойки может вызвать вибрацию, шум, удары о зубья и ошибки местного позиционирования.

Использование статического крутящего момента для выбора сервопривода

Выбор двигателя должен учитывать пиковый момент ускорения, постоянный среднеквадратичный крутящий момент, отраженную инерцию и условия аварийной остановки.

Пренебрежение смазкой и загрязнением

Неправильно смазанная рейка может привести к быстрому износу зубьев, даже если механические размеры в остальном правильные.

Часто задаваемые вопросы

От чего зависит максимальная нагрузка линейного модуля зубчатой ​​рейки?

Максимальная нагрузка зависит от мощности направляющей, прочности зубьев рейки, крутящего момента шестерни, мощности редуктора, конструкции каретки, допустимых моментов, скорости, ускорения и рабочего цикла. Это невозможно определить только по модулю стойки.

Как выбирается стоечный модуль?

Модуль стойки выбирается в соответствии с требуемой тангенциальной силой, максимальным крутящим моментом, материалом зубьев, шириной поверхности, рабочим циклом, ударной нагрузкой и требованиями к сроку службы. Более крупный модуль обычно поддерживает большее усилие, но также увеличивает размер компонента.

Увеличивает ли шестерня большего размера скорость?

Да. При той же скорости вращения шестерни больший шаг обеспечивает больший линейный ход за оборот. Однако для создания той же линейной силы также требуется больший крутящий момент.

В чём разница между точностью позиционирования и повторяемостью?

Точность позиционирования измеряет, насколько близко фактическое положение к заданному положению. Повторяемость измеряет, насколько последовательно модуль возвращается в одно и то же положение во время повторяющихся циклов.

Можно ли использовать линейный модуль зубчатой ​​рейки с неограниченным ходом?

Секции стойки можно соединить, чтобы создать очень большие расстояния перемещения, что позволяет легко масштабировать ход. На практике общий ход ограничен конструкцией машины, расположением стойки, прокладкой кабелей, требованиями к управлению и пространством для установки.

Почему важен допустимый момент?

Допустимый момент определяет, могут ли направляющая и каретка выдерживать смещенные нагрузки. Полезная нагрузка ниже максимальной номинальной массы все равно может перегрузить модуль, если его центр тяжести находится слишком далеко от каретки.

Как часто следует смазывать рейку?

Интервал смазки зависит от нагрузки, скорости, расстояния перемещения, рабочего цикла, температуры и загрязнения. Смазка и интервалы замены должны соответствовать требованиям производителя стойки и модуля к техническому обслуживанию.

Заключение

Правильный выбор линейного модуля зубчатой ​​рейки требует комплексной оценки полезной нагрузки, хода, модуля рейки, диаметра шестерни, передаточного числа, максимальной скорости, ускорения, точности позиционирования, повторяемости, приводного момента, допустимого момента и требований к смазке.

Лучшая конфигурация — это не просто модуль с самым высоким номиналом нагрузки или скорости. Это конфигурация, которая обеспечивает достаточную динамическую силу, жесткость конструкции, точность и срок службы в реальном рабочем цикле. Определение полного профиля движения и условий нагрузки перед выбором рейки, шестерни, редуктора и двигателя помогает предотвратить превышение размеров, недостаточный крутящий момент, перегрузку направляющих и преждевременный износ.