当齿条小齿轮在长行程轴上胜过滚珠丝杠和直线电机时

齿轮箱、小齿轮和齿条系统为关节式机器人提供了第7轴，即横向运动。（图片来源：GAM。）

将卷尺拉出几英寸时，尺带还很坚硬。继续拉伸，到一定程度时，尺带会开始弯曲和晃动，最终发生折弯。这是工程师在设计长行程轴时非常熟悉的问题。

在机械中实现精确直线运动主要有三种方式：齿条小齿轮传动、滚珠丝杠和直线电机。本文将探讨在何种情况下齿条小齿轮传动是最佳选择——以及在何种情况下其他方案可能更优。

了解这三种技术

齿条与小齿轮的工作原理是：一个称为“小齿轮”的旋转齿轮与一个称为“齿条”的带齿杆啮合。根据具体结构，要么是齿条移动而小齿轮保持静止，要么是小齿轮组件沿固定的齿条移动。

滚珠丝杠的工作原理与此类似。它本质上是一根精密的螺纹杆，配有一个沿其滑动的螺母。旋转螺纹杆时，螺母会进行线性往复运动；固定螺母时，则由螺纹杆移动。

直线电机则采用不同的工作方式。可以将其想象成将电动机拆开并摊平。其中一部分装有永磁体和电磁铁，而移动部分则配有相应的磁铁。通过伺服控制器的输入，磁力相互作用使负载沿直线移动。

齿条与小齿轮 vs. 滚珠丝杠

在较短的行程范围内，齿条齿轮与滚珠丝杠处于同一竞争领域；事实上，滚珠丝杠能提供更高的精度。根据机器的布局情况，其安装方向也可能更容易适应某些机器设计。

然而，就像卷尺一样，滚珠丝杠在达到一定长度（约2-3米）时会出现问题，具体距离取决于丝杠的尺寸。

“当滚珠丝杠的行程变长时，会出现一种被称为‘鞭打’的现象，”GAM公司高级设计工程师马特·拉格尔斯（Matt Ruggles）说道。GAM是一家总部位于美国的伺服减速机及其他运动控制组件制造商。 “简而言之，滚珠丝杠会变成一根跳绳，这可能会给系统带来各种问题：过早磨损、振动，有时甚至会导致灾难性故障。”

与滚珠丝杠不同，齿条和齿轮在长度方面非常容易定制。

“其优势在于齿条和齿轮传动基本上可以无限扩展，”拉格尔斯说。“你可以将一段齿条切短，也可以将多段齿条组装在一起，从而获得更长的行程。”

齿条和齿轮与线性电机

直线电机有两大主要优势：速度和高度精确的控制。然而，由于直线电机依赖磁通量，其刚度可能更难控制。磁铁还会带来其他复杂问题。

“我曾遇到过这样的情况：安装人员口袋里的钥匙被磁化了，”拉格尔斯说，“当手表突然开始吸附杂物时，情况会非常尴尬。这可能与他们的工作环境有关——在运行过程中，系统可能会吸附切屑和其他碎屑。”

这两种技术均可扩展至更长的距离，但延长直线电机每米的成本要高得多——相比增加一段齿条，所涉及的永磁体和电磁铁价格昂贵。此外，直线电机仅为保持位置就需要持续供电，其功耗与进给力的大小直接相关。

相反，齿条和齿轮系统不依赖磁化。反向驱动力意味着电机一停止，系统就能保持位置，而内置的电机制动器会处理其余情况，无需持续耗电。其组件的价格通常也更低。

“虽然确实需要购买齿条和齿轮，通常还需配备减速器和电机，但这些部件的总成本通常低于采用线性电机方案，”Ruggles 表示，“在成本、体积和功耗方面，您可以获得刚性更高、进给力更大的系统。”

齿条齿轮机构在洁净室这种环境下确实存在不足。齿轮齿需要润滑才能正常工作，这意味着润滑脂会暴露在环境中。虽然可以通过盖板、密封件和选择合适的润滑剂来缓解这一问题，但这会增加系统的复杂性。

滚珠丝杠也存在同样的问题，尽管可以通过波纹管和类似的解决方案进行保护。线性电机没有外露的运动部件，因此无需密封或覆盖，这使其成为医疗或半导体制造等洁净室环境的最佳选择。

GAM 销售标准一米长的齿条，这些齿条可以串联使用，也可以按需切割成更短的长度。如需更长的齿条，可通过特殊订购获得。对于正在进行部件选型的工程师，GAM 团队可协助确定合适的部件和数量，以满足每项应用的要求。

“这就像是‘付出多少，收获多少’的情况，”Ruggles 说道，“如果你花时间进行精确、仔细的安装，齿条和齿轮、滚珠丝杠等部件就会运行得非常顺畅。如果你草草拼装，可能会遇到问题。”

如需进一步了解齿条和齿轮，请访问 GAM 网站。