Когда зубчатая рейка и шестерня превосходят шариковые винты и линейные двигатели в системах с большим ходом

Система, состоящая из редуктора, шестерни и зубчатой рейки, обеспечивает 7-ю ось, то есть поперечное перемещение, для шарнирно-сочлененного робота. (Изображение: GAM.)

Вытяните рулетку на несколько дюймов — и лента останется жесткой. Продолжайте тянуть, и в какой-то момент она начнет изгибаться и колебаться, а затем, в конце концов, прогнется. Это проблема, хорошо знакомая инженерам при проектировании осей с большим ходом.

Существует три основных способа обеспечения точного прямолинейного движения в машинах: зубчатая рейка и шестерня, шариковые винты и линейные двигатели. В этой статье мы рассмотрим, в каких случаях зубчатая рейка и шестерня являются лучшим выбором, а в каких — предпочтительнее другие решения.

Рассмотрение трех технологий

Реечная передача работает за счет взаимодействия вращающейся шестерни, называемой шестерней, с зубчатой рейкой. В зависимости от конструкции либо рейка перемещается, а шестерня остается неподвижной, либо узел шестерни перемещается вдоль неподвижной рейки.

Шариковый винт работает по аналогичному принципу. По сути, это прецизионный резьбовой стержень с гайкой, которая перемещается по нему. При вращении стержня гайка перемещается вперед-назад по прямой; если зафиксировать гайку, то перемещается сам стержень.

Линейный двигатель использует иной подход. Представьте себе электродвигатель, разобранный и разложенный на плоскости. Одна часть содержит постоянные и электромагниты, а подвижная часть — соответствующие магниты. Под управлением сервоконтроллера магнитное взаимодействие перемещает груз по прямой линии.

Зубчатая рейка и шестерня против шариковых винтов

На небольших расстояниях зубчатая рейка и шестерня и шариковые винты конкурируют в одном сегменте; при этом шариковые винты могут обеспечить более высокую точность. Их конструкция также может быть проще встраивать в определенные типы станков, в зависимости от их компоновки.

Однако, как и в случае с рулеткой, у шарико-винтовой пары есть предельная длина (около 2–3 метров), при превышении которой возникают проблемы, причем это расстояние зависит от размера винта.

«При использовании шариковых винтов на больших расстояниях возникает явление, называемое «хлестком», — говорит Мэтт Рагглз, старший инженер-конструктор компании GAM, американского производителя серворедукторов и других компонентов систем управления движением. «По сути, шарико-винтовая пара превращается в скакалку, что может вызвать в системе самые разные проблемы: преждевременный износ, вибрацию, а иногда и катастрофический отказ».

В отличие от шариковых винтов, длину зубчатой рейки и шестерни очень легко настроить под нужные параметры.

«Преимущество заключается в том, что реечно-шестеренчатый механизм, по сути, можно масштабировать до бесконечности», — говорит Рагглз. «Можно отрезать кусок рейки, чтобы она стала короче, или соединить несколько кусков рейки, чтобы получить гораздо больший ход».

Зубчатая рейка и шестерня против линейных двигателей

Линейные двигатели обладают двумя основными преимуществами: скоростью и высокоточным управлением. Однако, поскольку линейный двигатель основан на магнитном потоке, с жесткостью может быть сложнее справиться. Магниты также создают и другие сложности.

«У меня был опыт, когда у людей, занимающихся монтажом, ключи в карманах намагничивались, — говорит Рагглз. — Может быть очень неудобно, когда вдруг на наручные часы начинают прилипать различные предметы. Это может повлиять на условия их работы, где во время движения к ним могут прилипать стружка и другой мусор».

Обе технологии можно масштабировать на большие расстояния, но стоимость удлинения линейного двигателя на метр значительно выше — используемые в нем постоянные и электромагниты стоят дорого по сравнению с добавлением еще одного участка зубчатой рейки. Линейные двигатели также нуждаются в постоянном питании даже для удержания положения, и их энергопотребление напрямую зависит от величины усилие подачи.

Напротив, зубчатая рейка и шестерня не намагничены. Благодаря силам обратного привода система удерживает положение, как только двигатель останавливается, а встроенный тормоз двигателя берет на себя остальное без постоянного потребления энергии. Компоненты, как правило, также обходятся дешевле.

«Конечно, вам придется приобрести зубчатую рейку и шестерню, а также, как правило, редуктор и двигатель, но совокупная стоимость этой системы обычно ниже, чем при использовании линейного двигателя», — говорит Рагглз. «За те же деньги, при тех же габаритах и энергопотреблении вы можете получить гораздо более жесткую систему с гораздо более высокими силами подачи».

У реечно-шестеренчатой системы есть одна область применения, в которой она не справляется: чистые помещения. Зубья шестерни нуждаются в смазке для правильной работы, а это означает, что смазка остается открытой и подвергается воздействию окружающей среды. Эту проблему можно смягчить с помощью кожухов, уплотнений и правильного выбора смазочного материала, но это усложняет конструкцию.

У шариковых винтов та же проблема, хотя их можно защитить с помощью сильфонов и аналогичных решений. Линейные двигатели не имеют открытых движущихся частей, поэтому их не нужно герметизировать или закрывать, что делает их оптимальным выбором для чистых помещений, таких как медицинские лаборатории или предприятия по производству полупроводников.

Компания GAM продает зубчатые рейки в виде стандартных отрезков длиной один метр, которые можно соединять между собой, а также может нарезать рейки на отрезки меньшей длины. Более длинные отрезки доступны по специальному заказу. Инженерам, занимающимся подбором компонентов, команда GAM может помочь определить подходящие компоненты и их количество в соответствии с требованиями конкретного применения.

«Это один из тех случаев, когда вы получаете столько, сколько вложили, — говорит Рагглз. — Если вы не торопитесь и монтируете всё точно и аккуратно, то получите отлично работающую зубчатую рейку, шарико-винтовую пару и т. д. Если же вы просто наскоро соберёте всё воедино, у вас могут возникнуть проблемы».

Чтобы узнать больше о зубчатых рейках и шестернях, посетите сайт GAM.