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Sistemi di azionamento lineare: Produzione di pezzi di precisione nel settore aerospaziale per le macchine utensili

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Le differenze abbondano tra le tradizionali trasmissioni gemelle a pignone e cremagliera, i design basati su pignone diviso e i sistemi a pignone e rullo.

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Dal settore aerospaziale alle macchine utensili, al taglio del vetro, al settore medico e altro ancora, i processi di produzione dipendono da un controllo affidabile del movimento. A fornire la velocità e la precisione richieste da queste applicazioni sono vari sistemi di azionamento lineare servocontrollati.

Una configurazione comune combina i servocontrolli con una cremagliera e un pignone tradizionali. Quest'ultimo può richiedere un gioco tra la cremagliera e i denti dell'ingranaggio per evitare inceppamenti e usura eccessiva, oppure i cambiamenti ambientali (come uno spostamento di temperatura di 10°) possono bloccare il sistema quando i denti dell'ingranaggio si espandono. D'altra parte, il gioco si traduce in gioco, che equivale a un errore.

Problemi di gioco nei pignoni gemelli e divisi

Per le applicazioni di precisione, una tipica soluzione ai problemi di gioco consiste nell'aggiungere un secondo pignone che tira nell'altra direzione - contro il primo sistema, per agire come controllo.

Un'iterazione di questa idea è l'uso di un pignone diviso. Qui, un pignone è essenzialmente tagliato lungo il centro laterale, con una molla posizionata tra le due metà. Quando il pignone diviso si muove lungo una cremagliera, la prima metà del pignone spinge su un lato di un dente della cremagliera e l'altra metà sul dente successivo. In questo modo, una configurazione a pignone diviso elimina il gioco e l'errore.

Qui, poiché solo metà del pignone esegue il lavoro - mentre l'altra metà agisce come controllo - la capacità di coppia è limitata. Inoltre, poiché la dinamica di azionamento deve superare la forza della molla, si verifica una perdita di movimento, diminuendo l'efficienza complessiva. Mentre si muove in accelerazione, la molla può anche cedere leggermente, degradando la precisione del movimento. Infine, quando il pignone viene fermato per eseguire un'operazione, come la foratura, il sistema di molle nel pignone può flettere leggermente, invece di rimanere rigido.

Un'altra soluzione consiste in un sistema a doppio pignone. In questa disposizione, due pignoni separati si muovono lungo la stessa cremagliera. I pignoni agiscono in modo master/slave, con il pignone principale (master) che esegue il posizionamento e il secondo pignone (slave) che contrasta il gioco. Tipicamente, i pignoni sono controllati elettronicamente, quindi la precisione è mantenuta e le impostazioni di controllo possono essere regolate per compensare l'usura del sistema.

Qual è il problema? I sistemi a doppio pignone possono essere costosi, perché i progettisti devono solitamente acquistare un secondo motore, un pignone e un riduttore. Anche l'ingombro del progetto deve essere aumentato: Un secondo motore richiede più lunghezza per eseguire la guida. Per esempio, se un utente ha bisogno che il sistema di controllo del movimento faccia avanti e indietro di un metro, è necessaria una lunghezza della cremagliera di 1,2 o 1,3 m per ospitare il secondo pignone, che si muove da 200 a 300 mm dietro il primo. Infine, il costo dell'alimentazione di due motori è sostanziale in un tipico ciclo di vita di cinque o dieci anni.

Il funzionamento senza gioco degli azionamenti a pignone e rullo è adatto alle applicazioni a corsa lunga, come questa fresatrice.

Un'altra opzione: Pignoni a rulli

La tecnologia del pignone a rulli comprende un pignone composto da rulli supportati da cuscinetti che impegnano una cremagliera con un profilo del dente personalizzato. Due o più rulli si collegano con i denti della cremagliera in opposizione in ogni momento, per offrire una precisione più elevata rispetto ai sistemi di azionamento a pignone e pignone divisi: In breve, ogni rullo si avvicina ad ogni faccia del dente in un percorso tangente, e poi rotola lungo la faccia per un funzionamento a basso attrito con più del 99% di efficienza nel convertire il movimento rotativo in lineare.

Il pignone a rulli è composto da rulli supportati da cuscinetti che impegnano un profilo del dente personalizzato.

Il design non ha nemmeno una molla che collassa e degrada la precisione, e non si perde efficienza nel superare una forza della molla. Inoltre, l'azione dei rulli non richiede alcun gioco, quindi elimina il gioco e l'errore. Al contrario, per un sistema tradizionale a cremagliera e pignone, un dente del pignone deve spingere fuori da un lato del dente della cremagliera e passare immediatamente al lato successivo del dente.

Un pignone a rulli affianca diversi denti simultaneamente, a cavallo di un lato di un dente e assegnando il gioco con un altro. Non c'è bisogno di un secondo pignone per contrastare il primo; un pignone trasmette con precisione la capacità di coppia necessaria.

I design basati sul pignone a rulli estendono anche la durata e riducono la manutenzione. Nelle applicazioni più lente, il sistema può funzionare senza lubrificazione. Le cremagliere tradizionali si usurano nel tempo e richiedono una compensazione per la precisione di posizione e la coppia, ma i pignoni a rulli mantengono la precisione. I pignoni di entrambi i design richiedono una sostituzione periodica, ma almeno in confronto ai pignoni gemelli, i costi complessivi di sostituzione per un pignone a rulli sono inferiori.

Esempi di applicazione

Consideriamo la produzione di pannelli di fusoliera di aerei di grandi dimensioni. Questa applicazione può richiedere una lunga corsa e un'alta precisione su macchine di tipo gantry. Gli azionamenti a pignone e rullo offrono un posizionamento lineare accurato su queste lunghe distanze.

Al contrario, la tradizionale precisione di posizionamento a pignone e cremagliera può essere insufficiente a causa dei requisiti di gioco; il gioco minimo mantiene la precisione su corse brevi, ma il design può essere costoso da produrre e installare su lunghe distanze. Un sistema a doppio pignone (con due pignoni precaricati l'uno contro l'altro) può anche essere implementato, ma è costoso e tipicamente non permette nemmeno il gioco variabile che si verifica sulle lunghe distanze.

Un altro uso comune di un sistema a doppio pignone è il posizionamento di una testa di taglio in una fresatrice per fibra di vetro. Mentre l'azionamento a doppio pignone può inizialmente funzionare bene in questa applicazione, la combinazione di polvere di vetro e l'attrito di scorrimento costante creato dal pignone opposto può causare un'usura prematura. Usando un sistema pignone-rullo, che utilizza il rotolamento invece dello scorrimento, l'aspettativa di vita può essere aumentata del 300% o più.

Una versione rotante del sistema pignone-rullo può anche essere usata per eseguire il posizionamento multiasse. Qui, pignoni multipli (che si muovono tutti indipendentemente) sono montati su un ingranaggio. Il design usa meno spazio degli azionamenti a doppio pignone usati a volte in queste applicazioni.