Sistemul cu pinion de rostogolire - o alternativă la sistemele de acţionare tradiţionale

Transmisii Mecanice

de Jeff Hermes , Allan Conway

Sistemul cu pinion de rostogolire - o alternativă la sistemele de acţionare tradiţionale

Presiunile pieţei competiţionaleobligă constructorii de maşini-unelte să proiecteze maşini care sunt mai rapide, mai precise şi care solicită mai puţine activităţi de întreţinere, astfel încât ele să fie mai productive pentru utilizatorii lor finali. Urmărind aceste scopuri, se utilizează mai multe servosisteme de acţionare liniare comandate.

Sistemele de acţionare liniare se bazează pe mai multe tehnologii comune, cum ar fi şuruburile cu bile, mecanismul pinion cremalieră, acţionări cu curele şi motoare liniare. Fiecare dintre aceste tehnologii are puncte tari şi puncte slabe, astfel încât nici una din ele nu este ideală pentru toate toate aplicaţiile, din cauza unor dezavantaje, cum ar fi jocul de întoarcere, rigiditatea scăzută, erori cumulate, deformaţii termice, lungimi limitate, viteze mici, capabilitatea mică de transmitere a unor forţe, vibraţii, emisia de particule, nevoi ridicate privind întreţinerea, durată de viaţă redusă şi preţ ridicat.

Sistemul cu pinion de rostogolire Nexen

Pentru a corecta limitările acestor sisteme de acţionare liniare, Nexen a introdus sistemul cu pinion de rostogolire, un nou concept de acţionare liniară, brevetat, care combină cele mai bune caracteristici ale tehnologiilor actuale, eliminând, în acelaşi timp, majoritatea dezavantajelor acestora.

Modul de funcţionare

Sistemul cu pinion de rostogolire Nexen (RPS) preia conceptul tradiţional al mecanismului pinion-cremalieră şi-l dezvoltă prin înlocuirea dinţilor roţii dinţate cilindrice cu dinţi drepţi, cu role lăgăruite pe rulmenţi, care angrenează cu profilul special al dintelui cremalierei. Rolele lăgăruite pe rulmenţi elimină frecarea de alunecare a mecanismului tradiţional pinion-cremalieră cu o frecare de rostogolire lină, conducând la o eficienţă a conversiei mişcării de rotaţie într-una liniară de 99%.

Role în poziţii opuse

                        

Figurile de mai sus arată modul de desfăşurare a profilului dintelui.

 

În figura 1, coarda iniţială este desenată în timpul rotirii cercului rolei spre înainte, iar punctul P se roteşte până în punctul P'.

Figura 2 prezintă mai multe puncte egal distanţate, care trec prin acelaşi proces şi care dezvoltă aceleaşi profile ale dintelui de bază.

În figura 3, punctul este înlocuit cu o rolă care modifică profilul dintelui.

În figura 4, o modificare suplimentară a profilului dintelui produce încărcarea rolelor din poziţii opuse, ceea ce elimină jocul de întoarcere. Cu această geometrie de angrenare, rolele alunecă pe suprafaţa dintelui, urmând o traiectorie tangenţială, care are ca efect evitarea ciocnirii dinţilor, care generează zgomot, vibraţii şi oboseala dintelui – spre deosebire de mecanismul pinion-cremalieră tradiţional.

 

Diversitatea sistemului 

Susţinute de o pătrunzătoare înţelegere a necesităţilor diferitelor comenzi de deplasare cu care se confruntă industriile şi aplicaţiile actuale, sistemul cu pinion de rostogolire a fost extins pentru a include cinci modele special concepute pentru a satisface necesităţile speciale şi provocatoare ale comenzilor de deplasare. Modelele disponibile includ variantele de Cremalieră Universală Standard, Premium, Endurance, Universal şi Stainless Steel, fiecare oferind posibilităţi de comportare diferite, care le fac ideale pentru anumite industrii şi/sau aplicaţii. Pentru a asigura o şi mai mare satisfacere a cerinţelor, fiecare model poate fi dimensionat pentru a corespunde exact necesităţilor maşinii. Adăugarea acestor modele măreşte posibilitatea proiectanţilor de a include tehnologia pinionului de rostogolire în aplicaţiile lor.

Odată cu extinderea RPS, sunt disponibile modele cu tratamente pentru suprafeţe rezistente la coroziune şi/sau realizate din oţel inoxidabil calitatea 17-4 pentru aplicaţii care prezintă dificultăţi. Pinioanele sunt disponibile în varianta arbore cu bucşă montată cu strângere, fără pană sau pinioane montate cu flanşă tip ISO 9409, pentru flexibilitatea optimă a proiectării maşinii. Sistemele RPS cu pinioane montate cu flanşă tip ISO 9409 oferă o alegere şi o montare mai uşoară a reductorului, permite utilizarea sistemelor de preîncărcare a pinionului şi oferă performanţe maxime sistemului.

Prin alegerea unei cremaliere care corespunde exact cerinţelor aplicaţiei şi maşinii, RPS poate asigura utilizatorilor avantaje în producţie în pieţele pretenţioase. De exemplu, cremaliera Standard este tratată termic, prezintă o precizie de 50 μm şi oferă cea mai mare capacitate privind forţa portantă. Acest fapt o face soluţia ideală de comandă a deplasării pentru maşini de injecţie în matriţe şi echipamente de laminare. În condiţiile unui mediu agresiv, cremaliera Premium oferă o protecţie superioară la coroziune, cu funcţionare fără lubrifiere, ceea ce o face o soluţie fiabilă în aplicaţii pretenţioase, precum maşinile de honuit, ansambluri ale avionului, maşini de profilat cu cinci axe comandate pentru profilarea fibrelor ceramice sau de carbon.

Pentru aplicaţii complicate, care solicită o precizie deosebită, a fost dezvoltată varianta de cremalieră Endurance pentru maşini de numărat, sortat şi de ambalat, oferind precizia şi durabilitatea necesară pentru a asigura o calitate consistentă produsului. Ca variantă, în aplicaţii cu reglementări stricte privind condiţiile de igienă, a fost dezvoltată varianta de cremalieră Stainless Steel Universal, cu o rezistenţă deosebită la coroziune pentru aplicaţii din clasa alimentelor, precum maşini de ambalat şi de umplere. Oferind o soluţie de comandă a mişcării economică, de înaltă calitate, cremaliera Universal prezintă o duritate medie şi asigură precizia necesară pentru aplicaţii privid tăierea sticlei şi debitarea ţevilor.

 

Precizia de poziţionare 

Cremaliera RPS utilizează un concept modular cu doar două lungimi standard de fabrică pentru fiecare mărime, care sunt asamblate pentru a crea o cursă de orice lungime. Variantele lungi sunt în jur de un metru lungime, iar cele scurte sunt în jur de 0,5m, în funcţie de mărimea pasului. Segmente mai mici de cremalieră se pot realiza prin debitarea cremalierei.

Prezentând o precizie de poziţionare de până la 30, 50 şi 80μm, RPS se adaptează, virtual, oricărei cerinţe de precizie a aplicaţiei. Mai mult, oferind diverse capabilităţi privind performanţele, inginerii îşi pot îmbunătăţi raportul performanţă/preţ pentru o soluţie constructivă specifică. De obicei, cremaliera Premium oferă o precizie de 30μm, în timp ce cremalierele Standard, Universal şi Stainless Steel Universal vor prezenta o precizie de poziţionare de 50μm, iar cremaliera Endurance este capabilă de o precizie de poziţionare de 80μm.

Pentru a transfera precizia de poziţionare următorului segment de cremalieră, a fost dezvoltată o sculă specială, care utilizează profilul dintelui cremalierei pentru reglarea interstiţiului, în loc de a asambla, pur şi simplu, cremalierele cap la cap. Scula de aliniere utilizează doi dinţi pe fiecare cremalieră, mediind unele din erorile transferate. Această mică eroare transferată, statistic, tinde la zero, astfel încât lungimi de curse infinit de lungi, în teorie, ar putea avea eroare cumulată zero. Acest lucru permite obţinerea  de curse cu orice lungime virtuală fără pierderea preciziei sistemului. În multe cazuri nu mai este necesar un traductor liniar şi se poate avea încredere în servo encoder, reducând, astfel, costul şi complexitatea.

 

Această diagramă prezintă precizia de  poziţionare bazată pe un traductor liniar foarte precis şi pe un traductor rotativ montat pe arborele pinionului.

Examinând variaţia curbei veţi vedea vârfuri individuale, care reprezintă erori de angrenare individuale dintre stift (rolă) şi cremalieră şi o formă de curbă periodică reprezentând eroarea corpului pinionului, care se repetă la fiecare rotire. După cum puteţi vedea, liniile reprezentând eroarea sunt orizontale, indicând lipsa unei erori cumulate. Acest lucru ar putea continua pe orice segment de cremalieră individual ori pe întreaga lungime.

 

♦: precizia de poziţionare dintr-un sens ( rotire în sens contrar acelor de ceasornic)

*: precizia de poziţionare dintr-un sens (rotire în sensul acelor de ceasornic)

o: precizia de poziţionare din ambele sensuri (funcţionare din ambele sensuri)

 

Acest grafic ilustrează revenirea în aceeaşi poziţie, atât dintr-un sens, cât şi din ambele sensuri de deplasare. După cum se poate vedea, repetabilitatea la deplasarea dintr-un sens este mai mică de 2,6μm, iar la deplasarea din ambele sensuri este mai mică de 5,8μm. Diferenţa dintre cele două valori este jocul de întoarcere şi este mai mică de 3,2μm. Acest lucru se menţine, virtual, pe întreaga lungime a deplasării.

 

Viteza                                  

Sistemul RPS este capabil să realizeze viteze de pînă la 11m/s, făcând acest sistem cel mai rapid sistem liniar de acţionare, clasat pe locul doi după motoarele liniare. Chiar la aceste viteze, soluţia constructivă, cu frecare extrem de mică, produce o încălzire şi o uzură minimă a componentelor. Fiecare sistem individual RPS are o limită de viteză maximă, care este funcţie de rulmenţii cu ace specifici utilizaţi la pinionul de rostogolire. În practică, pinionul cu role este conceput pentru a funcţiona la viteze mai mari decât alte componente ale sistemului, cum ar fi ghidajele liniare de rostogolire şi transportoarele de cabluri – oferind o capacitate, privind viteza, mai mare decât cea solicitată de către maşină.

 

Durabilitate                    

Cremaliera şi corpul pinionului sunt realizate din oţel carbon. Dinţii cremalierei sunt trataţi termic pentru a realiza un produs cu o rezistenţă excepţională la uzură şi cu durabilitate mare. În multe aplicaţii, lichidele şi materialele corozive ar putea pune probleme pentru un produs din oţel neprotejat. Oţelul inoxidabil nu este o opţiune viabilă, deoarece are o rezistenţă mai mică şi ar compromite performanţele RPS.

Din cauza toleranţelor de fabricaţie extrem de strânse RPS necesită un tip de acoperire, care să nu mărească suprafaţa sau care nu se deteriorează rapid. În consecinţă, pentru RPS se utilizează un tratament de protecţie a suprafeţei denumit Raydent . TratamentulRaydent aplicat suprafeţei este un proces criogenic, care permite suprafeţei metalice să formeze legături moleculare cu oţelul, rezultând un strat ceramic cu crom, având ca rezultat mărire minimă a suprafeţei. Acest strat este extrem de durabil şi este foarte rezistent la acizi, la substanţe  alcaline şi la diverşi solvenţi. El nu se va exfolia sau rugini dacă este zgâriat. Dacă o piesă metalică subţire este supusă unui tratament de tip Raydent şi apoi este brusc îndoită, stratul de acoperire nu va fi compromis.

 

Zgomot                            

Datorită moduluilin în care serealizează angrenarea  rolelor cu dinţii cremalierei, sistemul RPS generează un zgomot şi vibraţii de nivel foarte scăzut. Acesta nu prezintă zgomot produs de şocul dinţilor sau al bilelor de recirculare, pe care le prezintă alte sisteme liniare de acţionare. Prin eliminarea frecării de alunecare este permisă o funcţionare a RPS mult mai silenţioasă decât cea a clasicului mecanism pinion cremalieră, iar principiul său de funcţionare cu frecare de rostogolire măreşte randamentul.

Sistemul este silenţios ca o şoaptă, la viteze mici, iar zgomotul nu depăşeşte 75 dB la viteza maximă. De obicei, sistemele de ghidare, servomotoarele şi reductoarele generează mai mult zgomot decât sistemul RPS. Un nivel mai scăzut de zgomot şi vibraţii este întotdeauna preferat, deoarece, astfel, se reduce imprecizia senzorilor de precizie şi a traductoarelor şi oferă un mediu de operare mult mai bun pentru personalul care ar putea lucra în apropierea maşinii.          

 

Sursa de zgomot                    

Valoarea medie [dB]

 

Soaptă 

40

Zgomot casnic mediu                          

40

 

Conversaţie normală                           

60

 

Zgomot la birou                                   

70

 

Radio la nivel mediu                            

75

 

Trafic intens                                         

80-89

 

Motocicletă  

96-100

Ferăstrău cu lanţ                                

106-115

 

Împuşcătură      

140

          Sursă: WebMD.com                                    

                                       

Întreţinere                     

Sistemul RPS necesită o întreţinere minimă, oferind, în acelaşi timp, o durată de viaţă foarte lungă. Pinionul constă din 10 sau 12 role lăgăruite pe rulmenţi cu ace, care sunt etanşi şi lubrifiaţi pe viaţă şi, de aceea, nu necesită întreţinere. Cremaliera este lubrifiată cu o vaselină de înaltă calitate, la montare şi, apoi, din şase în şase luni, sau la un număr de 2 milioane de rotaţii ale pinionului. În cazul unor aplicaţii speciale, sistemul RPS poate funcţiona fără lubrifiere, atâta timp cât viteza de lucru este de max. 30m/min. Alte sisteme de acţionare liniare necesită o lubrifiere sau întreţinere mult mai frecvente. Doar motorul liniar le solicită într-o mai mică măsură.

Fiecare model RPS este astfel construit, încât să minimizeze cerinţele privind întreţinerea, având fiecare pinion lubrifiat la nivelul secţiei de  fabricaţie şi fără să solicite întreţinere în timpul funcţionării. În plus, în funcţie de viteza de operare, cremalierele Premium şi Endurance nu necesită lubrifiere dacă viteza de operare nu depăşeşte valoarea de 5m/min, iar pentru tipurile Standard şi Universal sunt necesare doar cantităţi mici de lubrifiant.

Deoarece necesităţile de lubrifiere sunt foarte mici sau inexistente, sistemul RPS prezintă o emisie foarte mică de particule, făcându-l ideal pentru aplicaţii de tipul cameră curată, prelucrarea alimentelor, operaţii de acoperiri şi producerea medicamentelor. Chiar în condiţiile unei întreţineri de nivel foarte scăzut, sistemul RPS asigură 60.000.000 de rotaţii ale pinionului, pe durata de viaţă, în condiţii normale de funcţionare.

Lipsa necesităţii lubrifierii poate fi foarte avantajoasă în cazul unor aplicaţii în care este prezentă murdăria, precum aşchierea, frezarea şi profilarea. Este destul de puţin probabilă lipirea contaminanţilor de cremalieră, reducând, astfel, producerea de paste abrazive, care accelerează uzura în sistemele mecanice. Multe tehnologii de acţionare liniară sunt dimensionate plecând de la considerente privind durata de viaţă, cu mărirea dimensiunilor produsului în funcţie de cerinţele acesteia. Procesul de selectare a sistemului RPS nu ia în considerare durata de viaţă, deoarece acesta se bazează, în primul rând, pe solicitare. Nici un alt sistem mecanic de acţionare nu se apropie de aceste performanţe, care nu sunt depăşite decât de motorul liniar.

 

Montarea                         

Montarea sistemului RPS este similară cu montarea şinelor ghidajelor profilate de precizie. Cremaliera trebuie să fie amplasată pe o treaptă (bosaj) pe batiul maşinii-unelte, pentru a asigura un sprijin complet şi un plan posterior pentru a o fixa cu şuruburi în locul de utilizare şi pentru a asigura rectilinitatea, în mod special atunci când se îmbină secţiuni de cremalieră. După ce pinionul a fost montat şi axa sa este corect poziţionată, paralel cu suprafaţa frontală a dinţilor cremalierei şi, după angrenarea completă cu cremaliera, se aplică o uşoară preîncărcare, pentru a prelua jocul din rulmenţii pinionului cu role. Este recomandată o planitate de mare precizie a suprafeţei de montare a cremalierei, dar mult mai important este paralelismul dintre sistemul de ghidare şi RPS, astfel încât preîncărcarea pinionului să nu fie nici pierdută, nici excesivă. Deoarece procesul simplu de montare a fiecărei cremaliere are aceleaşi caracteristici, RPS este conceput universal pentru a diminua opririle şi pierderile din producţie.

 

Rezumat                            

Sistemul de Pinion cu Role al firmei Nexen oferă o nouă soluţie de acţionare liniară, care combină caracteristicile optime ale sistemelor de acţionare liniară precum şuruburile cu bile, mecanismul pinion cremalieră, acţionările cu curea şi motoare liniare, eliminând, însă, multe din dezavantajele acestora. Cu cele cinci modele distincte şi separate, RPS oferă o soluţie de comandă a deplasării special concepută, care asigură în mod consistent o precizie de poziţionare, viteză, rigiditate şi durată de viaţă ridicate.

Date  despre Nexen          

Nexen este un producător de elită de frâne, cuplaje, dispozitive de comandă a deplasării liniare, sisteme de limitare a momentului de torsiune şi sisteme de control a tensiunii în reţea pentru o mulţime de aplicaţii industriale, care variază de la comanda deplasării şi robotică şi pînă la sisteme de ambalare şi manipulare a materialelor. (www.nexengroup.com)


Allan Conway, Nexen Group, Inc.

Jeff Hermes, Nexen Group, Inc.



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord