齿条和齿轮系统是优秀的机电设备,特别适合实现线性或旋转运动的解决方案,大多数无法与其他技术。典型的系统是由一个表面上有齿的长直齿条(或线性齿轮)、一个匹配的小齿轮(或圆齿轮)和一种驱动其中一个或另一个的方法组成的。弧形衣架也有可能,但并不普遍。
作者:Chris Popp•运动控制顾问
你可能听说过齿轮齿条转向在汽车上的应用。这与本文的重点略有不同——工业应用中的齿条齿轮组。在这方面,齿条和齿轮系统作为工业或自动化解决方案的四个主要优点是:
1.高线性速度
2.几乎无限的旅行距离
3.高力传输在相对紧凑的包装,和
4.广泛的精度选择,从非常高精度到通用用途。
齿轮齿条系统有三种基本的使用方法。第一种也是最常见的方法是将齿条固定在机器结构上,并利用从动小齿轮上的反作用力使马车或其他平台沿齿条的长度移动——使小齿轮和驱动器以高速直线运动的方式随之移动。
第二种使用齿条-小齿轮系统的方法是固定功率/扭矩源,附加小齿轮,然后驱动齿条来回产生高力线性运动,就像线性驱动器。
第三种方式是反向的行动,通过驱动齿条来回与另一个线性装置,以创造旋转运动的小齿轮。
所以,抛开基本的介绍,让我们来看看设计工程师需要考虑的10件事(换句话说,他们的供应商需要知道什么),以正确选择和应用齿条齿轮系统。其中一些可能更适合于固定机架设计,但所有这些都有相关性。
齿条齿轮参数一:机械传动式
这与运动设计是在负载的一侧用单轴驱动还是在负载的相反方向用两个轴驱动有关。然后,也有选择驾驶与两个轴在同一侧使用单一机架。确定电源配置和位置将有助于确定驱动负载所需的扭矩,无论是在一个轴上还是在使用多个轴时共享。
齿条齿轮参数二:操作环境
重要的是要确定齿条和小齿轮运行的环境和环境条件,以确定是否需要采取任何保护措施或其他考虑。由于固有的设计是一个开放的齿轮系统,任何污染物,可以收集在齿轮齿应考虑和避免,如果可能。
齿条齿轮参数三:轴行程长度
如前所述,齿条和小齿轮的主要优点之一是几乎无限的旅行长度。有些可能超过200英尺,但也可能只有一两英尺——尤其是在最初确定的替代方法上使用时。几乎无限的旅行意味着齿轮齿条组仅受建造者安装和校准齿条和伴随导轨的能力的限制。使用更长的机架件,许多提供长达2米的长度,减少安装时间,提供更多的精度和更容易的对齐在长时间的延伸。对于较短的运行,标准1米,0.5米,和定制切割长度也很容易获得。
齿条齿轮参数四:轴重量被移动
在固定机架系统中,通常情况下,马车或龙门吊沿着机架移动,同时携带负载。如果结合结构重量和负载重量,需要识别以计算移动负载所需的扭矩。当负载变化时,最坏的情况是首要考虑的。在固定小齿轮系统中,运动齿条所需的线性力,无论是在整个行程中还是仅在行程结束时,也是同样必要的。在这两种情况下,如果施加了任何额外的负载或力(无论是在移动过程中还是在位置上),这也是一个需要知道的元素。
齿条齿轮参数五:轴的方向
如果移动是水平的,垂直的,或者介于两者之间,沟通是很重要的。在非水平应用中,由于重力引起的附加力必须考虑在内。在水平应用中,摩擦力是一个必要的附加因素。在某些情况下,齿连接是否在安装的机架的顶部、底部或一侧也是一个相关的考虑因素。不一定,但是在讨论提议的设计配置时应该提到它。
齿条齿轮参数六:负载支持
毫无疑问,负载必须得到支持。如何支持它是至关重要的。当使用螺旋切齿条时,可以看到边力高达三分之一的线性力。引导系统必须能够适应这一点。因此,直线导轨不仅要承载负载的重量,还要抵抗来自齿轮连接反作用力的侧力。当使用直齿齿条时,没有侧力。这可能会允许其他引导系统,如滚轮,被接受。螺旋切割机架具有受力能力大、操作安静等优点。因此,在选择机架类型之前要考虑应用要求。选择所选机架的导轨类型后,沟通导轨的摩擦系数。 That will be necessary to calculate the needed drive torque.
齿条齿轮参数七:加速度和速度
这一切都是为了转移货物。有多快,持续多久是大问题。像所有的运动应用一样,更快的惯性加减速需要更多的扭矩,这可能导致一个更大的系统。较慢的加速速率,虽然需要更少的扭矩,可能需要更快的运行速度,以及时到达位置。优化运动轮廓的加速率和运行速度可以减少输入驱动器的尺寸和成本。齿条和小齿轮突出的主要优点之一是它覆盖距离快。这在配置运动配置文件时提供了很大的灵活性。
齿条齿轮参数八:轴工作周期
这是系统的操作或移动的数量,通常以周期每小时和小时每天为单位。虽然在齿条和齿轮尺寸的选择中肯定要考虑应用相关的服务因素,但润滑间隔和驱动包更重要,特别是涉及齿轮头时。所有机架的选择都假定适当的润滑。在小齿轮长时间运动和静止的应用中,周期性的手动润滑可能是足够的。但随着循环的增加,所需的润滑频率也随之增加。
可填充的自动“智能”润滑系统随时可用,以测量油脂的适当数量和间隔为每个应用。齿轮头寿命对启动和停止扭矩更敏感。周期是它们选择的关键因素。
齿轮齿条参数九:位置精度
这涉及到必要的位置精度或允许偏差在各个点沿行程长度。把驱动系统从图片中拿出来,这主要是受齿条和小齿轮齿的节距误差的影响。较高的齿距误差将导致难以预测的位置控制。较低的螺距误差将增加可预测性。许多齿条制造商通过不同的硬化和磨削工艺提供不同的节距误差水平。从最低质量到最高质量,成本会急剧上升。因此,确定真正需要的准确性水平具有经济意义。
一个必然的因素是系统反弹。除非负载总是在一个方向上,否则齿条和齿轮啮合或输入齿轮传动系统中的间隙会影响位置控制。然而,大多数齿条-齿轮系统的倒转在返回时导致一些运动丢失。较低的齿条齿距误差可能允许更紧密的齿轮啮合,以减少齿隙的影响。
齿条齿轮参数十:输入驱动系统
这涉及齿条和小齿轮将如何驱动。在大多数自动化系统中,选择伺服电机是因为它的可控性。为了增加机械优势和减少反射负载惯性回电机通常添加某种齿轮头。这可能是一个行星内联设计或一个直角伺服蜗杆。每一种都有其优点。在任何情况下,选择一个适当的齿轮传动比可以对电机和驱动器的成本和性能有显著的影响。太高的齿轮头比会减慢系统的速度。如果比例太低,就需要更大、更昂贵的电机和驱动器。
另一个考虑因素是小齿轮的尺寸。小的小齿轮必须跑得更快,以达到所需的线速度,但需要更少的扭矩,以提供给定的力,同时也减少了齿隙的影响。一个更大的小齿轮覆盖更多的距离每转,但需要更多的扭矩提供相同的力。因此,适当匹配电机和驱动器的尺寸、传动比和小齿轮尺寸可以以最经济有效的方式优化系统性能。
当然,在某些应用中,其他设计标准也很重要。但是对于大多数包含齿条和齿轮组的线性运动系统,识别本文中描述的十个考虑因素将使你设计一个成功和高性能系统的方法达到90%。因为所有的运动系统配置文件都是唯一的,所以通过共享尽可能多的应用程序和设计信息来与系统供应商合作是有意义的。他们已经看到了一切,并且可以快速识别关键元素,以帮助选择最佳的系统组件来满足您的需求。
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了下:线性运动技巧