Movimentazione a pignone e cremagliera: pro e contro
I sistemi a pignone e cremagliera sono dispositivi moderni che offrono movimenti precisi, anche su lunghezze illimitate.
Il movimento lineare è indispensabile per movimentare macchine in modo efficiente e controllabile. I meccanismi che generano il movimento lineare sono generalmente classificati in base alla velocità e all'accelerazione assiale, alle forze assiali rispetto al volume strutturale, alla durata, alla rigidità e alla precisione di posizionamento.
I due sistemi lineari più comuni sono i motori lineari e gli azionamenti a vite a ricircolo di sfere. Le unità a pignone e cremagliera sono spesso trascurate come tecnologia perché ritenute con precisione di posizionamento limitata. Tuttavia, questo presupposto non è corretto.
Superfici di montaggio rettificate con tolleranze ridotte, trattamenti superficiali resistenti all'usura, denti degli ingranaggi sbavati individualmente e design compatti e a bassa massa aumentano notevolmente le prestazioni di questi ultimi. In effetti, le trasmissioni a pignone e cremagliera si confrontano favorevolmente con i motori lineari e con le viti a ricircolo di sfere.
I sistemi a pignone e cremagliera di nuova generazione offrono prestazioni dinamiche elevate e distanze di movimento illimitate. Alcuni sistemi includono servo-ingranaggi e attuatori con gioco inferiore a 1 arcmin, efficienza pari al 98,5% e dimensioni molto più compatte rispetto alle combinazioni servomotore-ingranaggi standard. Alcune unità pignone preassemblate possono funzionare con precisioni prossime ai 10 µm, garantendo sicurezza e regolarità dei movimenti.
Le tipiche applicazioni a pignone e cremagliera comprendono macchine a portale, sistemi di trasporto e di imballaggio. Le capacità di carico di queste macchine vanno da qualche chilo a diverse tonnellate. I gruppi pignone e cremagliera di nuova generazione sono utilizzati anche nella lavorazione del legno, nel taglio rapido dei metalli e nelle macchine di assemblaggio.
Geometria e dettagli delle superfici di contatto
Le prestazioni dei sistemi a pignone e cremagliera sono notevolmente migliorate grazie ai progressi tecnologici di lavorazione dei metalli. Lo sviluppo di sistemi di lavorazione e rettifica all'avanguardia hanno consentito precisioni molto elevate per i sistemi a pignone e cremagliera.
Più specificamente, alcune cremagliere di alta qualità sono incise al laser. Ciò consente il raggiungimento di un errore di inclinazione cumulativo di ± 12 µm su una lunghezza di 500 mm. Grazie a questa elevata precisione si possono abbinare elementi di cremagliera in parallelo eliminando totalmente ogni tipo di gioco. Questo livello di precisione consente a diversi tipi di macchine di funzionare senza dispositivi di feedback esterni. Al contrario, altri sistemi lineari richiedono costosi dispositivi di feedback esterni per accertare l’esatto posizionamento.
Esistono poi cremagliere a denti elicoidali con un angolo di elica ottimizzato per un funzionamento più silenzioso a velocità più elevate e una maggiore capacità di carico grazie al rapporto di contatto del dente più elevato. L'errore di un sistema a denti elicoidali può raggiungere il valore incredibile di 3 µm. Questo tipo di soluzioni hanno un ottimo comportamento alle sollecitazioni di flessione consentendo maggiori capacità di carico. Gli ingranaggi elicoidali si innestano in modo uniforme e silenzioso. Questo aiuta a migliorare la finitura superficiale, ad esempio durante la lavorazione di pezzi a tolleranza stretta.
La chiave è la lubrificazione
I gruppi a pignone e cremagliera durano più a lungo se correttamente lubrificati. I sistemi opportunamente ingrassati sono anche in grado di raggiungere la massima velocità nominale. Per molti sistemi a pignone e cremagliera, il metodo più comune è un kit di lubrificazione automatico o un dispositivo di ingrassaggio. Questi dispositivi sono disponibili in varie configurazioni e sono controllati elettronicamente.
È possibile selezionare diverse impostazioni per controllare la quantità di grasso che scorre nel tempo. Tale quantità varia a seconda del ciclo di movimento della cremagliera e del pignone. Un contenitore carico mantiene la pressione quando non viene utilizzato; la chiusura di un consenso elettrico attiva il flusso.
Il grasso viaggia attraverso un tubo flessibile in un pignone di ingrassaggio cavo. Un ingranaggio in feltro con fori radiali in cui il grasso viene applicato alla cremagliera o al pignone attraverso i fori. Il design del sistema di lubrificazione determina quale metà del set è ingrassata attivamente. Ad esempio, la lubrificazione della cremagliera per un'applicazione ad alta velocità può essere studiata per impedire che il grasso venga espulso dalle forze centrifughe.
In ogni caso, la quantità corretta di grasso richiesta per l'applicazione può essere applicata automaticamente e accuratamente.
Montaggio di pignone e cremagliera
Le opzioni di montaggio abbondano per i sistemi a pignone e cremagliera. Alcune cremagliere utilizzano speciali superfici di montaggio per garantire maggior precisione. Altri offrono prestazioni adeguate anche con l'installazione di base. La flessibilità intrinseca del design può essere sfruttata per un migliore controllo. A differenza dei motori lineari a guida diretta, i gruppi pignone e cremagliera consentono regolazioni di dimensioni del pignone, dei rapporti di trasmissione e dello smorzamento. Lo lo scopo è di stabilizzare il controllo di sistemi ad anello chiuso.
Ci sono delle controindicazioni: montare il pignone e la cremagliera troppo distanti provoca un gioco che degrada la precisione. Un montaggio compromesso o disallineato può anche danneggiare i cuscinetti del riduttore. Ciò causerebbe maggiori assorbimenti di corrente del motore, rumore e persino guasti. Per prestazioni ottimali, un pignone deve essere opportunamente distanziato dalla cremagliera, montato su una superficie piana e perpendicolare al riduttore entro circa 25 µm per la maggior parte delle applicazioni.
I progressi nei sistemi di trasmissione a cremagliera e la riduzione dei prezzi vedono sempre più spesso questi azionamenti accoppiati a servomotori con encoder. I motori passo-passo sono un'opzione praticabile, ma i servomotori sono preferiti per la loro precisione.
Precarico
A volte, i sistemi a pignone e cremagliera sono precaricati per eliminare il gioco e aumentare la rigidità. Qui, due pignoni corrono sullo stesso rack. Un pignone principale guida il meccanismo come in una configurazione normale. Nel frattempo, un pignone schiavo può generare una coppia per applicare una forza opposta ai denti che impegna. In questo modo, l'inerzia e la resistenza impediscono il gioco, anche durante i cambi di carico; aumenta anche la rigidità del sistema e aumenta la dinamica di controllo.
Se i componenti sono selezionati correttamente, non ci sono svantaggi significativi nel precaricare un sistema a pignone e cremagliera. D'altro canto, il precarico meccanico può effettivamente ridurre la rigidità complessiva della macchina. Ad esempio, un pignone diviso caricato a molla ridurrebbe la rigidità del sistema:
Notare che a differenza del precarico elettronico più sofisticato, questi pignoni di precarico tradizionali non possono lavorare insieme. Uno si oppone sempre all'altro, il che riduce leggermente l'efficienza.
In set di pignone e cremagliera più sofisticati, il precarico elettronico è mantenuto al massimo mentre il sistema è fermo. I pignoni master e slave - entrambi alimentati attivamente - spingono i denti della cremagliera rivolti in direzioni opposte. Quando la macchina accelera, il pignone principale la spinge in avanti, mentre il pignone secondario diminuisce il precarico della forza opposta. Quando il sistema rallenta a una velocità costante, il pignone slave viene a contatto con il fianco del dente equivalente a quello impegnato dal pignone principale. Quindi i due pignoni guidano nella stessa direzione, evitando comunque il gioco.
Alla fine, quando il sistema decelera, il pignone slave ritorna ad applicare forza sul fianco del dente opposto, per aiutare a rallentare il carico.
Pignone e cremagliera rispetto alle viti a ricircolazione di sfere
Le viti a ricircolo di sfere non possono accelerare come i sistemi a pignone e cremagliera. Non possono neanche mantenere le stesse velocità. La loro rigidità è inferiore e meno costante.
I gruppi pignone e cremagliera hanno un momento di inerzia inferiore e una frequenza di risonanza più elevata oltre ad una maggiore efficienza rispetto alle viti a sfere. Ci sono meno componenti [leggi: più affidabilità] con notevole risparmio di tempo durante l'installazione. Inoltre, la lunghezza è illimitata.
Le viti a ricircolo di sfere possono generare errori cumulativi significativi per la lunghezza totale della corsa. Ad esempio, una deviazione di oltre quattro metri di corsa per un azionamento a vite a ricircolo può variare tra 300 e 1.700 µm. Anche la deviazione della vite a sfere con filettatura rettificata su quattro metri varia tra 30 e 110 µm. Con due sistemi a pignone e cremagliera accoppiati, l'errore cumulativo per la stessa lunghezza della corsa è tra 12 e 40 µm. Ciò rende i sistemi a pignone e cremagliera adatti anche per unità a portale.
Per applicazioni con lunghezze di spostamento elevate, le viti a sfere presentano momenti di inerzia elevati che limitano la velocità critica e la capacità di carico assiale (deformazione per carico Euleriano). Anche l'efficienza della vite a sfere precaricata raggiunge solo il 90% circa. Tali applicazioni a corsa lunga beneficiano nel passaggio ai sistemi a pignone e cremagliera, con un'efficienza del 97%.
Componenti complementari come i cuscinetti di supporto influiscono sulla rigidità della vite a sfere. Anche gli alloggiamenti o i fori dei dadi possono causare difetti, complicando la stabilità dinamica del sistema. Al contrario, le trasmissioni a pignone e cremagliera offrono una rigidità costante per l'intera lunghezza della corsa. Questo rende possibile un comportamento del sistema di controllo superiore. Infine, diversamente dai sistemi a pignone e cremagliera, le viti a ricircolo di sfere consentono un solo supporto per asse lineare e non sono idonee per applicazioni a corsa breve.
Indietro nel tempo
I dispositivi meccanici di movimento lineare - su cui si basano i gruppi pignone e cremagliera - risalgono all'invenzione della ruota nell'antica Mesopotamia. Intorno al 1100 a.C., gli assiri iniziarono a utilizzare piattaforme di tronchi rotanti per rendere più pratici gli oggetti in movimento. Dopo il Medioevo, durante la Rivoluzione scientifica del 1600, le regole e le pratiche dei mondi antichi - come quelle dell'Assiria e dei suoi sistemi di movimento lineare - furono osservate e talvolta adottate. Questa fase ha aperto la strada alla Rivoluzione Industriale del 1700 e 1800. In questo periodo sono emersi i primi dispositivi a pignone e cremagliera.
Un'importante applicazione che ha stimolato l'innovazione dei sistemi a cremagliera è stata il transito ferroviario. Più specificamente, nel 1800, le ferrovie a cremagliera furono utilizzate negli Stati Uniti e nei paesaggi più ripidi d'Europa. Queste ferrovie fanno uso di motrici dotate di pignoni motorizzati che impegnano una cremagliera dentata installata tra i binari di una ferrovia. È un meccanismo di trasmissione della potenza particolarmente utile per le applicazioni di arrampicata. La prima ferrovia a cremagliera al mondo è la Mount Washington Railway, nel New Hampshire. Operata per la prima volta nel 1868, è ancora in funzione. Un'altra ferrovia a cremagliera, la Vitznau-Rigi-Bahn in Svizzera, fu aperta pochi anni dopo.
Oggi, materiali moderni, trattamenti e produzione ottimizzata rendono i sistemi a pignone e cremagliera estremamente performanti. Spesso sono migliori dei componenti elettromeccanici e di altri componenti lineari in una miriade di applicazioni industriali gravose.
