Як розрахувати та мінімізувати люфт у рейкових приводах

У сфері прецизійної автоматизації - чи то великі портальні фрезерні верстати, верстати для лазерного різання чи крокуюча система роботів із сьомою віссю -, здавалося б, ідеальний лінійний рух у моделях САПР часто стикається з важкими практичними проблемами на робочому місці.

Найпоширенішою проблемою є:Люфт.

Хоча люфт часто пояснюють проблемами якостіспорядженнясам по собі, насправді, люфт у системах зубчастих рейок є систематичним результатом виробничих допусків, геометричних помилок складання та фізичних факторів навколишнього середовища.

Зворотний зазор означає зазор між поверхнями зубів зачеплених шестерень. В ідеальному стані зазор повинен дорівнювати нулю, але для того, щоб вмістити мастильну плівку та запобігти заклинюванням, спричиненим тепловим розширенням, певний зазор потрібно зберегти. Це також призводить до проблеми, коли ці «необхідні проміжки» стають «помилками позиціонування» в точному позиціонуванні.

Щоб контролювати та вирішити цю проблему, нам спочатку потрібно зрозуміти три чинники джерела.

Зменшення товщини зуба:Ця ситуація стосується того, що виробник навмисно нарізав зуби трохи тонше, ніж теоретична товщина зуба під час обробки, щоб залишити припуск на люфт.

Помилка кроку та бігу:У зв’язку з виробничими факторами навіть шестерні верхнього-рівня мають мікрометричне відхилення кроку (відхилення кроку одного зуба) і радіальне биття.

Варіація міжцентрової відстані:Якщо шестерня (шестерня) буде трохи віддалена від стійки через помилки установки, то люфт буде збільшуватися в геометричній прогресії.

У рейкових приводах незначне відхилення міжцентрової відстані значно посилюється кутом тиску та безпосередньо перетворюється на шкідливу втрату руху.
Формула розрахунку виглядає наступним чином:

Три параметри зліва направо - це додатковий нормальний люфт, спричинений похибкою міжцентрової відстані (одиниця вимірювання: мм), відхилення між фактичною міжцентровою відстанню та теоретичним значенням (одиниця вимірювання: мм), а також кут натискання шестерні (зазвичай 20 градусів).

Розрахунок випадку

Модуль: 2.0
Кут тиску: 20 градусів
Помилка встановлення: монтажна пластина редуктора зміщена лише на +0.1 мм.

Підставивши у формулу, виходить:

Розрахунок показує, що зсув установки лише на 0,1 мм призводить до втрати руху приблизно на 0,07 мм. Це значення разом із виробничим люфтом самої зубчастої рейки стане частиною загального люфту системи. У практичних точних застосуваннях (наприклад, лазерне різання) така втрата руху може призвести до:

• 1. Круглі отвори стають еліптичними,
• 2. Гострі кути із заокругленими краями або надрізами,
• 3. Початкова та кінцева точки шляху різання не закриваються.

Навіть якщо точність вашої стійки дуже висока, якщо вона закріплена на нерівній поверхні, вона не зможе повністю використовувати всі можливості стійки.

Стійка — це, по суті, тонкий сталевий брусок. При затягуванні болтами він буде пружно деформуватися відповідно до форми станини машини.

Проблема полягає в тому, що якщо є хвилі на рівності станини машини, лінія кроку стійки також буде коливатися відповідно. Це призведе до «тісних точок» (перешкоди/перешкоди) і «вільних точок» (збільшення люфту) під час процесу сітки.

Проблеми, що виникають під час налагодження:Для того, щоб запобігти заклинюванням у «тужній точці», монтажний персонал зазвичай змушений збільшувати міжосьову відстань, що призводить до надмірного люфту в «вільній точці».

For long-stroke axes (e.g., >2 метри), коливання температури є прихованим фактором, що впливає на точність. Нижче ми використовуємо приклад розрахунку, щоб проілюструвати його вплив.

Стандартна формула для лінійного розширення:

Розбивка параметрів (зліва направо):

• Зміна довжини
• Оригінальна довжина
• Коефіцієнт лінійного теплового розширення
• Зміна температури

Конкретні значення параметрів для прикладу розрахунку:

Довжина стійки: 3 метри
Зміна температури: 10 градусів
Коефіцієнт лінійного теплового розширення для сталі: приблизно 11,5 мкм/(м· градус).

Підставивши ці значення у формулу, ви отримаєте результат 0,345 мм. Це означає, що ваша стійка фізично подовжується на 0,345 мм. Ця сукупна помилка кроку може призвести до того, що кодер серводвигуна вкаже, що машина знаходиться в положенні X, тоді як фактичне фізичне положення стійки відхилилося на 0,345 мм. Для високоточних-додатків важливо розглянути постійний контроль температури або використання повного замкнутого-зворотного зв’язку з лінійним кодером.

Як досвідченийвиробник стійки на замовлення, Hansheng пропонує наступні рішення для усунення люфту або досягнення низького люфту.

Подвійна передача усуває люфт

У цій схемі використовуються дві невеликі шестерні, одна з яких приводиться в дію головною шестернею, а інша застосовує зворотний крутний момент попереднього натягу через пружини, моментні двигуни або регульовані механізми, таким чином усуваючи люфт як у прямому, так і в зворотному напрямках. Але вартість висока, а механічна структура складна.

Висока точність виготовлення

Підвищуючи точність зубчастої рейки від звичайних рівнів зубофрезерування (таких як DIN 9-10) до рівнів точного фрезерування або шліфування (таких як DIN 5-6), можна істотно зменшити похибки кроку та профілю.

Чому зазор можна зменшити? Причина полягає в тому, що надзвичайно висока точність одного зуба дозволяє інженерам встановлювати меншу міжцентрову відстань, дозволяючи їм безпечно регулювати міжцентрову відстань до більш жорсткого теоретичного значення під час складання, досягаючи меншого люфту сітки, не турбуючись про ризики перешкод або заклинювання, спричинені накопиченням помилок

Подальше читання

-------------------------Як вибрати такі параметри, як матеріал, модуль і термообробка зубчастих рейок?

Перш ніж завершити свій наступний дизайн лінійного руху, ознайомтеся з цим контрольним списком

Розрахувати навантаження

Ви вибрали правильний модуль (M), щоб мінімізувати відхилення зуба під навантаженням?

Перевірте рівність поверхні

Чи відфрезерована монтажна поверхня з допуском, сумісним із класом стійки?

Виберіть правильний процес

Ви використовуєте фрезеровані (стандартні) або фрезеровані (точні) стелажі? (Див. нашІндивідуальна стійка для передачМожливості для деталей).

Зіставте Шестерню

Ви використовуєте шестерню з такою ж або кращою точністю, ніж рейка?

Термокомпенсація

For strokes >2м, ви врахували розширення?

Хіба люфт гвинтової стійки менший, ніж прямої стійки?

Строго кажучи, люфт в основному залежить від допуску на товщину зуба та міжцентрової відстані, і не пов’язаний безпосередньо з профілем зуба. Однак косозубі шестерні мають більший коефіцієнт контакту. Завдяки участі в зачепленні кількох зубів шестерні похибка між поверхнями зубів є усередненою. Таким чином, у фактичній роботі гладкість косозубих зубчастих рейок набагато вища, ніж гладкість прямих зубів, що забезпечує кращу «тактильну точність» і більше підходить для -високошвидкісних застосувань.

Чи можу я силою усунути люфт, застосовуючи тиск до малої шестерні (зменшуючи міжцентрову відстань)?

Настійно не рекомендується робити це, якщо ви не використовуєте решітки для точного шліфування DIN 5/6.

Якщо точність рейки низька (наприклад, DIN рівень 9), похибка кроку зуба велика. Сильне натискання може спричинити перешкоди (заїдання) у сегментах передач із великими похибками, що призведе до сильної вібрації, шуму, прискореного зносу передач і навіть до пошкодження підшипників коробки передач. Лише -високоточні стійки дозволяють установлювати надзвичайно малі міжцентрові відстані, не застрягаючи.

Чи впливає змащення на люфт?

Гарне змащення утворює масляну плівку мікрометрового розміру між поверхнями зубів. Ця масляна плівка не тільки зменшує знос, але й певною мірою відіграє слабку «наповнювальну» роль, буферизуючи вплив під час зміни напрямку. Ми рекомендуємо використовувати автоматичну систему змащування в точних роботах із зубчастими передачами з поліуретановим змащенням, що забезпечує безперервну подачу масла.

Чим зубчасті рейки DIN 6 і DIN 10 відрізняються на практиці?

Різниця величезна. Загальна похибка кроку стійки DIN Class 6 зазвичай контролюється в межах 0,03-0,04 мм на метр; А рівень DIN 10 може досягати 0,15 мм або навіть вище. Для верстатів з ЧПК, які вимагають точного позиціонування, зубчасті рейки DIN 10 можуть призвести до нелінійних помилок, які неможливо компенсувати за допомогою алгоритмів керування.

ISO 1328-1:2013

DIN 3962 / DIN 3967

Допуски на зуби циліндричних шестерень; Допуски на відхилення контуру зуба.

AGMA 2015-1-A01

Система класифікації точності - Тангенціальні вимірювання для циліндричних зубчастих коліс.