精密リニアモーションシステム用ヘリカルギアラック

在庫には多くの種類のスプロケットがあります。多くのラックを直列接続して長尺が必要な用途には、歯先が正しく構成されたラックを用意しています。これらは「機械加工エンドギアラック」と呼ばれます。

ヘリカルギアラックが固定されピニオンが移動する用途と、ラックが固定軸を中心に回転しながらピニオンが移動する用途があります。前者は搬送システムで広く使用され、後者は押出システムや昇降用途で使用できます。

回転運動を直線運動に変換する機械要素として、ギアラックはボールネジとよく比較されます。それぞれ長所と短所があります。ギアラックの利点は、機械的シンプルさ、大きな荷重容量、長さに制限がないことなどです。欠点の一つはバックラッシュ（遊び）です。ボールネジの利点は高精度と低バックラッシュですが、たわみによる長さの制限という短所があります。

ラックタイプ

ラックアンドピニオンギアには2つのバリエーションがあります：

ストレート歯（平歯車）：歯軸が回転軸と平行。歯がギア軸と平行に走ります。
ヘリカル歯（はすば歯車）：歯長に沿って連続的な噛み合いを提供し、ストレート歯より静かで効率的、同一ラック幅でより高い荷重が可能。回転面ではスパーギアに似ていますが、軸方向に沿ってねじれた歯を含みます。

応用

ヘリカルギアラックドライブは、精密位置決めと繰り返し精度を必要とする軸駆動、スライドゲートとコラム、ピック&プレースロボット、CNCルーター、マテリアルハンドリングシステムなど、幅広い用途に最適です。これらのドライブは重負荷とデューティサイクルも容易に処理できます。対応業界には、マテリアルハンドリング、自動化、自動車、航空宇宙、工作機械、ロボティクスが含まれます。

直線運動は機械の移動、工具と製品の効率的かつ制御された搬送に必要です。直線運動発生装置は一般に、軸方向速度と加速度、構造体積に対する軸方向力、耐久性、剛性、位置決め精度でランク付けされます。

代表的な直線システムとしてリニアモーターとボールネジ駆動があります。ラックアンドピニオンドライブは、位置決め精度が限定された前世代技術として見過ごされがちです。しかし、この前提は無効です。

高精度研削取り付け面（タイトな公差）、耐摩耗表面処理、個別にデバurringされたギア歯、軽量コンパクト設計により生産性が向上します。実際、ラックアンドピニオンドライブはリニアモーターやシャフト/アーススレッド付きボールネジと比較しても遜色ありません。

新世代のラックアンドピニオンシステムは、高ダイナミクスと無制限の移動距離を提供します。これらには、クリアランス1アーク分未満、効率98.5%以上、標準サーボ/ギア組み合わせよりはるかにコンパクトなプレミアム品質サーボギアとアクチュエーターが含まれます。一部のプレアッセンブリギアは10μm精度で動作可能で、安全でスムーズな動きを保証します。

典型的なラックアンドピニオン応用には、数ポンドから数トンまでのガントリー、搬送、包装機械が含まれます。新世代ラックセットは木工機械、高速金属切削機、組立機械にも使用されています。

形状と表面詳細

ラックの性能は全体的な技術進歩とともに向上しています。例えば、最新鋭の機械加工と研削により、ラックアンドピニオン機構の精度が大幅に向上しました。

より具体的には、一部の高品質ラックコンポーネントはレーザー刻印され、500mm長で累積ピッチ誤差±12μmを達成し、目標精度の手動選択が可能です。これはデュアルドライブガントリー応用でのラックコンポーネントの平行アライメントに有用です。実際、このレベルの精度により、いくつかの機械タイプが外部フィードバックデバイスなしで稼働可能になります。他のリニアシステムでは、整流と位置決めのために高価な外部フィードバックデバイスが必要です。

最適化されたねじれ角を持つヘリカルラックは、歯接触率が高いため、高速での静粛性と高荷重容量で好まれます。ヘリカル歯の1ピッチ誤差は3μmに達します。ピニオンプロファイルシフトまたはアデンダム修正によりアンダーカットを防止し、曲げ応力をバランスさせてより高い荷重容量を実現。ヘリカルギアリングは滑らかで静かに噛み合い、例えばタイトな公差部品の加工時に表面仕上げの改善に役立ちます。

ラックアンドピニオン統合

ラックキットの取り付けには多くのオプションがあります。一部のラックは精度確保のために特殊な取り付け面を使用し、他は基本的な取り付けでも十分な性能を発揮します。設計の自然な柔軟性を利用してより良い制御が可能です：ダイレクトドライブリニアモーターとは異なり、ラックセットではピニオンサイズ、ギア、ダンピングを調整してクローズドループ制御を安定化できます。

落とし穴もあります：ピニオンとラックの間隔が大きすぎると遊びが生じ精度が低下します。破損または不整合なマウントはギアボックスベアリングを損傷し、モーター電流増加、騒音、さらには故障の原因になります。最高性能を得るには、ピニオンをラックから十分に離し、平坦に取り付け、ギアに対して約25μmの精度で垂直にする必要があります（多くの用途で）。

ラックアンドピニオンギアの進歩とサーボ価格の低下により、サーボモーターが通常ラックシステムとカップリングされます。ステッピングモーターも選択肢ですが、精度の面からサーボモーターが好まれます。

プリロード

ラックセットはバックラッシュを排除し剛性を高めるためにプリロードされることがあります。ここでは2つのギアが同じラック上で動きます。メインピニオンが通常通り機構を駆動し、補助ピニオンギアが接触している歯に反力トルクを生成してカウンターフォースをかけます。これにより、負荷変動時でも慣性と抵抗がバックラッシュを防ぎ、システム剛性も向上し操舵ダイナミクスが改善されます。

コンポーネントが正しく選定されていれば、ラックシステムのプリロードに重大な短所はありません。一方で、機械的プリロードは実際には機械全体の剛性を低下させる可能性があります。例えば、分割スプリングロードピニオンはシステム剛性を低下させます。

より高度な電子プリロードシステムとは異なり、これらの従来型プリロードピニオンは協調動作できません。一方が常に他方に抗するため、効率がわずかに低下します。

より高度なラックセットでは、システム停止中に電子プリロードを最大に保ちます。メインと補助の両ギア（両方アクティブ駆動）が、反対方向を向いたラックの歯に押し付けます。その後、機械が加速すると、メインピニオンが機械を前進させながら補助ピニオンが反対側のプリロードを減らします。システムが定速に減速すると、補助ギアがメインピニオンと連結されている側と対応する歯の側に接触し、両ギアが同方向に動きながらバックラッシュを防止します。

最終的に、システムが減速すると、補助ピニオンが歯の反対側に力をかけて負荷の減速を助けます。