如今,工程师在线性运动系统中有很多驱动选择。从各种丝杠驱动到线性马达再到液压系统,每一个都有独特的优点和缺点,有些在某些应用中比其他应用更适合。结果是可能没有“完美”的线性运动执行器来满足每个应用要求。然而,有一种线性执行器可能接近完美的理想状态;久经考验的齿轮齿条传动装置。在这里,我们讨论对完美线性运动解决方案的现代追求,以及齿条和小齿轮系统如何满足许多(如果不是大多数)标准。尽管有些人可能认为齿轮齿条技术“陈旧而笨重”,但我们将展示现代齿轮齿条系统并非如此,

重新评估线性运动现状

当线性运动系统需要高精度、高推力或高动态性——或这些的任意组合时——设计人员通常会转向三种驱动选项之一:皮带和滑轮、滚珠丝杠或齿条和小齿轮。关于这些技术的一般想法通常是这样的:

  • 皮带非常适合高速,但推力能力有限且刚度较低。
  • 滚珠丝杠非常适合高推力和定位精度,但行程和速度
    有限。
  • 齿条和小齿轮系统非常适合高动态、高推力和高定位精度,但它们又旧又笨重。

机器制造商选择齿轮齿条传动的原因之一是因为它们能够提供极长的冲程长度。事实上,齿条和小齿轮通常是需要长行程的应用的首选驱动选项,在这些应用中,正确张紧齿形皮带传动变得困难。对于滚珠丝杠驱动,螺杆的临界速度——螺杆在旋转时开始摆动的速度——与螺杆的直径成正比,与其无支撑长度的平方成反比。因此,对于即使速度适中的长行程,螺杆直径也需要相对较大,以防止滚珠螺杆摆动。另一方面,齿条和小齿轮驱动器可以通过端对端地安装齿条部分来制造几乎无限的长度,

齿轮齿条
带有螺旋小齿轮键槽的齿条。

此外,对于皮带和滚珠丝杠驱动,随着行程长度的增加,负载必须控制的惯性也随之增加。在长冲程长度时,这种惯性可能很大。对于皮带传动,这是因为皮带基本上是圆形的,所以它的长度(因此它的质量和惯性)随着行程长度的增加而增加大约两倍。对于滚珠丝杠,更长的行程通常意味着丝杠的长度和直径都会增加——导致质量和惯性的显着增加。被移动负载的惯性越大,实现动态移动就越困难——尤其是那些在高加速度下需要高推力的负载。

另一方面,齿轮齿条系统的主要优势之一是它们的移动惯量不会随着长度的增加而增加,因此无论行程长度如何,它们都可以实现高速和高动态移动。

案例研究:齿轮齿条与滚珠丝杠的长长度和高精度
虽然滚珠丝杠通常被认为是三种驱动机构中最准确的,但齿条和小齿轮系统可以提供接近甚至超过最典型的精度和可重复性滚珠丝杠应用。根据 DIN/ISO 和 AGMA 质量标准的规定,带有斜齿的齿条可以具有单微米范围内的齿距误差和小于每米 25 微米的累积螺距误差。并且预加载齿轮齿条系统可以消除齿隙,以获得出色的可重复性,尤其是在应用需要改变方向时。

选择齿条和小齿轮时要寻找的关键因素之一是制造商生产更长长度的更高质量齿条的能力。在许多情况下,质量等级和长度是相辅相成的,更高质量的机架只能提供较短的长度。

但请考虑需要多个机架部分才能实现较长行程的应用情况。在这里,每个机架部分的累积间距误差变得非常重要,因为它决定了多部分机架总长度上的误差。

等离子切割
凭借高刚度和低惯性,齿条和小齿轮驱动器可以在等离子切割等应用中以比皮带或滚珠丝杠驱动器更好的控制执行高动态运动(如图所示)。

将整个机架长度上的总间距误差降至最低的最佳方法是使用更长的机架部分并具有更好的质量水平——很少有制造商可以提供这种情况。例如,具有 DIN/ISO 质量等级 5(累积误差为 0.025 毫米/米)的机架可能仅提供 500 毫米长度。因此,对于 3,000 毫米的总长度,需要六节机架,总误差为 0.150 毫米。但是,如果制造商可以生产长度为 1,000 毫米的 DIN/ISO 质量等级 5 机架,则只需要三个机架部分,总误差为 0.075 毫米。

现在将其与 3,000 毫米长的 T5/P5 级滚珠丝杠进行比较,根据 DIN/ISO 标准,每 300 毫米的导程波动 (v300p) 为 0.023 毫米。这意味着对于 3,000 毫米长的螺钉,导程偏差可能为 0.230 毫米——是我们的三部分 Q5 精度齿条在 3,000 毫米长时累积螺距误差的三倍多。

精确的动态运动需要控制
无论是在恒定速度下的延伸长度上,还是简称为高动态运动,驱动机构都必须能够产生足够的力以精确和可控地移动负载。尽管皮带驱动器可以实现长行程,但如果应用需要高推力,它们就无法运行。滚珠丝杠和齿轮齿条驱动都依靠金属对金属的接触(滚珠丝杠的滚珠和滚道以及齿轮齿条驱动的啮合齿轮齿)产生高推力,以在动态应用中移动重负载。

但即使长度和力能力相似,齿条和小齿轮驱动器的惯性也低于滚珠丝杠组件,这使齿条和小齿轮具有优势,尤其是在精密运动应用中。这是因为电机只需要克服小齿轮的惯性(齿条保持静止),因此与滚珠丝杠组件相比,齿轮齿条系统的惯性非常低,在滚珠丝杠组件中,电机必须控制齿轮的惯性整个丝杠轴和螺母。

事实上,在许多应用中,齿轮齿条系统可以使用比具有类似性能的滚珠丝杠系统所需的更小的电机。较低的运动惯量意味着系统可以执行高动态运动 - 更高的加速和减速率 - 具有更好的控制和更简单的伺服调整。

水射流
齿条和小齿轮驱动器为需要最高精度的加工应用提供高精度和刚度,例如这种水射流应用。

这带来了关于电机控制系统以获得最佳性能的另一点——尤其是在定位精度、振荡和稳定时间方面。对于需要长行程但不需要高推力的应用,皮带和皮带轮系统通常是首选。然而,皮带传动的刚度较低,因此会在系统中引入显着的顺应性和振动。

即使皮带传动的定位精度满足应用的要求,这种刚度的缺乏也会使精确控制变得困难。并且由于皮带会经历磨损和拉伸,刚度也会随着时间的推移而变化(恶化),这意味着在启动时调整为可接受性能的系统可能需要机械调整,例如重新张紧皮带和重新调整控制,早在启动之前系统达到其使用寿命。

带或不带预载的齿条和小齿轮系统本质上比皮带具有更好的刚度。与皮带传动不同的是,齿轮齿条系统的刚度不会随时间变化,因此在系统的整个生命周期内性能稳定且可预测。

通过使用双小齿轮或分裂小齿轮设计,可以在齿条和小齿轮系统中实现预载。在双小齿轮设计中,一个小齿轮驱动系统,另一个小齿轮预加载,预加载量由电机控制器决定。在剖分式小齿轮设计中,两个小齿轮对半啮合,在同一齿条上具有相对的齿面。一个小齿轮半部被驱动,而另一半部通过轴向弹簧预加载。

现代齿条和小齿轮驱动器在关键应用中表现出色
与过去几十年的“肮脏”对应物不同,现代齿条和小齿轮系统采用先进技术制造,通过精密淬火和磨削产生高齿轮质量、精度和强度。这使得它们适用于最关键的自动化和处理应用。

例如,齿轮齿条驱动现在是要求最高精度的加工中心的标准——无论是用于铣削、铣削、水刀切割、等离子切割还是激光切割——它们以高精度控制刀具的 X 和 Y(水平)运动。精度和刚度。拾取和放置应用——尤其是在汽车制造中——使用齿条和小齿轮,因为它们结合了长行程、高推力和高速能力。机器人传送装置——在工厂和仓库地板之间传送铰接式机器人——使用齿条和小齿轮驱动器,因为它们具有高刚度和平稳运动。

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