當齒條與齒輪在長行程軸上勝過滾珠螺桿與線性馬達時

齒輪箱、小齒輪與齒條系統為關節式機器人提供了第 7 軸，即橫向移動功能。（圖片來源：GAM。）

將捲尺拉出幾英吋，尺帶此時仍保持剛性；若持續拉伸，到某個點時尺帶便會開始彎曲晃動，最終甚至會彎折。這是工程師在設計長行程軸時非常熟悉的問題。

要讓機器實現精確的直線運動，主要有三種方式：齒條與小齒輪、滾珠螺桿以及線性馬達。本文將探討何時齒條與小齒輪是最佳選擇——以及何時其他方案可能更為合適。

了解這三種技術

齒條與小齒輪的運作原理，是讓稱為「小齒輪」的旋轉齒輪與稱為「齒條」的帶齒條峽相互嚙合。根據系統配置的不同，可能是齒條移動而小齒輪保持固定，或是小齒輪組件沿著固定的齒條移動。

滾珠螺桿的運作原理與之相似。它本質上是一根精密的螺紋桿，配有一顆沿其滑動的螺母。旋轉螺桿時，螺母會進行線性往返移動；固定螺母時，則由螺桿進行移動。

線性馬達則採用不同的運作方式。不妨想像將電動馬達拆開並攤平。其中一部分裝有永磁體和電磁鐵，而移動部分則配有相應的磁鐵。透過伺服控制器的輸入，磁力交互作用會使負載沿直線移動。

齒條與齒輪 vs. 滾珠螺桿

在較短的行程範圍內，齒條與齒輪與滾珠螺桿處於同級競爭；事實上，滾珠螺桿能提供更高的精度。視機台佈局而定，其安裝方向也可能更容易融入某些機台設計中。

然而，就像捲尺一樣，滾珠螺桿在達到一定長度（約 2 至 3 公尺）時會出現問題，而這個距離取決於螺桿的尺寸。

「當滾珠螺桿的行程變長時，會出現一種稱為『鞭打效應』的現象，」GAM 公司資深設計工程師 Matt Ruggles 表示。GAM 是一家總部位於美國的伺服齒輪減速機及其他運動控制元件製造商。 「簡而言之，滾珠螺桿會變成一根跳繩，這可能在系統中引發各種問題：過早磨損、振動，有時甚至會導致災難性故障。」

與滾珠螺桿不同，齒條與齒輪的長度非常容易客製化。

「其優勢在於齒條與齒輪系統基本上可以無限擴展，」拉格爾斯表示。「您可以將一段齒條切短，或者將多段齒條組裝在一起，以獲得更長的行程。」

齒條與齒輪 vs. 線性馬達

線性馬達有兩大優勢：速度與高精度控制。然而，由於線性馬達依賴磁通量，其剛性較難控制。磁鐵還會帶來其他複雜問題。

「我曾有過這樣的經驗：進行安裝作業的人，口袋裡的鑰匙會被磁化，」拉格爾斯說。「當手錶突然開始吸附各種東西時，情況會變得非常尷尬。這可能與他們的工作環境有關，因為在運行過程中，系統可能會吸附切屑和其他碎屑。」

這兩種技術都能擴展至更長的距離，但延長線性馬達的每公尺成本要高得多——相較於增加一段齒條，所涉及的永磁體和電磁鐵價格昂貴。此外，線性馬達僅僅為了保持位置就需要持續供電，且其功耗與所施加的進給力成正比。

相反地，齒條與齒輪系統無需磁化。由於存在反向驅動力，系統在馬達停止運轉的瞬間即可保持位置，而內建的馬達煞車則會處理後續事宜，無需持續耗電。其組件的價格通常也較低廉。

「您確實需要購買齒條與齒輪，通常還需搭配齒輪箱和馬達，但這些組件的總成本通常低於採用線性馬達的方案，」Ruggles 表示。「在相同的成本、體積和功耗條件下，您可以獲得剛性更高且進給力更強的系統。」

齒條與齒輪系統在某種環境下確實存在不足：潔淨室。齒輪齒面需要潤滑才能正常運作，這意味著潤滑脂會暴露於環境中。雖然可透過防護罩、密封件及選用合適的潤滑劑來減輕此問題，但這會增加系統的複雜性。

滾珠螺桿同樣存在此問題，儘管可透過波紋管等解決方案加以保護。線性馬達則沒有外露的活動部件，因此無需進行密封或覆蓋，使其成為醫療或半導體製造等潔淨室環境的最佳選擇。

GAM 販售標準一公尺長的齒條，可串聯使用，亦可依需求裁切成較短長度。若需更長的齒條，可透過特別訂購取得。對於正在進行元件選型的工程師，GAM 團隊可協助篩選合適的元件及數量，以滿足各項應用需求。

「這就像是『付出多少，收穫多少』的道理，」Ruggles 表示。「若您花時間仔細且精確地安裝，齒條與齒輪、滾珠螺桿等組件便能運作順暢；若草率組裝，則可能會出現問題。」

如欲進一步了解齒條與齒輪，請造訪 GAM 網站。