СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ПО ЗУБЧАТОЙ РЕЙКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR STABILIZATION OF MOVEMENT ALONG GEAR RACK AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к оборудованию, в котором используется движение по зубчатой рейке и может найти применение в устройствах печати на широкоформатных промышленных принтерах (плоттерах), роботах и станках с программным управлением.
При осуществлении прямолинейного движения (по линейным направляющим) в принтерах, станках с программным управлением и роботизированных системах используются преобразование вращения зубчатого колеса двигателя в его линейное перемещение относительно зубчатой рейки. Величина перемещения задается шаговыми или серводвигателями. Точность перемещения вдоль длины рейки зависит, в немалой степени, от взаимного положения зубчатого колеса и зубчатой рейки.
Технической проблемой известных станков и оборудования, а особенно широкоформатных принтеров, является изменение взаимного положения зубчатого колеса и зубчатой рейки при смещениях в горизонтальной плоскости, которое меняется в зависимости от кривизны опорной поверхности рейки и усилий, которые прикладываются к зубчатому колесу. Для стабилизации точности перемещения вдоль рейки к зубчатому колесу прикладываются предварительные усилия, которые прижимают колесо к рейке. Зубчатое колесо и рейка имеют следующие важнейшие особенности:
1. Большое передаточное отношение - за один оборот зубчатого колеса рейка перемещается на длину начальной окружности этого колеса. Поэтому пару зубчатое колесо-рейка удобно использовать в приводе главного движения и в приводе различных вспомогательных перемещений.
2. Неравномерность передаточного отношения, обусловленная большим влиянием ошибок зубчатого зацепления на скорость перемещения рейки. Особенно сложно обеспечить парой зубчатое колесо-рейка равномерность медленных движений в приводе подач высокоточных станков и станков с ЧПУ.
3. Отсутствие самоторможения затрудняет использование передачи зубчатое колесо-рейка для вертикального перемещения узлов станка.
4. Малые потери на трение и высокий КПД передачи оправдывает ее применение в приводе главного движения продольно-строгальных и долбежных станков при передаче значительной мощности.
5. Технологичность изготовления и сборки пары зубчатое колесо-рейка определяет ее низкую стоимость, что приводит к довольно широкому использованию этой пары во вспомогательных устройствах при невысоких требованиях к точности движения. Реечная зубчатая передача состоит из зубчатого колеса и рейки. Передача выполняется с прямыми, косыми и шевронными зубьями и служит для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. При неподвижной рейке зубчатое колесо катится по рейке, т.е. совершает вращательное и поступательное движение.
Известные в технике широкоформатных принтеров системы прижима колеса к рейке технически сложны, имеют множество электронных компонентов. Это чревато тем, что выход из строя любого микроузла или сбой юстировки одной из настроек приводит к нарушению стабильной работы системы и снижению качества печати.
Кроме того, перемещение по зубчатой рейке имеет шумность работы зубчатого зацепления.
Известно (см. https://darxton.ru/wiki-article/mify-o-reechnoy-peredache/), что технологии металлообработки существенно продвинулись вперед за последнее время, что отозвалось радикальным увеличением точности изготовления элементов передачи - зубчатых реек и шестеренок. В настоящее время производятся рейки почти всех классов точности по JIS, вплоть до 1. А также производятся безлюфтовые реечные передачи и т.д. В настоящее время реечная передача в целом не уступает по точности позиционирования приводным винтам, и в большинстве случаев превосходит ременную передачу.
У кремальеры есть теоретическое расстояние от центра шестерни до делительной линии рейки, при котором зацепление работает оптимальным образом. Прижимая шестерню к рейке, можно снизить люфт, но это повлияет на зацепление зубцов, что может привести к повышенному износу и стиранию передачи. Большой люфт свидетельствует о невысоком качестве передачи. Лучший способ уменьшить люфт - это использовать качественную рейку и шестерни с высоким уровнем исполнения, а - также улучшить качество взаимного монтажа. А полностью устранить люфт поможет разрезная или двойная шестерня.
В отдельных случаях люфт может быть устранен совершенно путем использования специальных гаек с преднатягом. Однако, реечная передача также может быть точной и повторяемой. В случаях использование закаленной и доведенной затем в допуски шлифовкой рейки, аналогично можно достичь малого люфта и погрешности шага. А использование половинчатых или сдвоенных зубчатых колес позволяет полностью устранить люфт. А в длинных и массивных осях с ЧПУ, таких, как раскроечные комплексы, передача рейка-шестерня на самом деле значительно превосходит ШВП (шарико-винтовая пара), которая ограничена по длине из-за провисания и вибрации винта, а также по скорости перемещений.
В приложениях с большой нагрузкой классическая зубчатая передача существенно превосходит ролико-зубчатую - последней не хватает жесткости и грузоподъемности.
Наиболее близким аналогом являются профильные рельсовые направляющие Monorail BZ с рейкой на рельсе (опубл.: 10.07.2017., см.: http://www.promshop.info/cataloguespdf/MONORAIL_BZ.pdf). В них использован прижим шестерни к зубчатой рейке посредством подвижных кареток.
В прототипе способ стабилизации движения по зубчатой рейке основан на том, что зубчатая рейка и направляющая крепятся на неподвижной части, а для перемещения рейки используют двигатель, которым вращают зубчатое колесо, расположенное на подвижной части, причем на направляющей размещают по меньшей мере две подвижные каретки, которые крепят к подвижной части.
Неточности монтажа элементов конструкции, которые приводят к непостоянству зазора между зубчатой рейкой зубчатым колесом, вызывают неточности в перемещениях (неодинаковые длина перемещения на один оборот зубчатого колеса в разных местах зубчатой рейки).
Мерой борьбы с этим явлением может быть прижатие зубчатого колеса к зубчатой рейке, которое вызывает как повышение точности перемещения, так и приработку рейки закаленным зубчатым колесом. Но прижимая шестерню к зубчатой рейке, хотя и можно снизить люфт, но это повлияет на зацепление зубцов, что может привести к повышенному износу и стиранию передачи.
Поэтому, основной технической проблемой прототипа является зависимость от сильного прижима шестерни к зубчатой рейке, что влияет на зацепление зубцов и приводит к повышенному износу и стиранию передачи.
С другой стороны, потребность в использовании дорогой и технологически сложной в изготовлении качественной зубчатой рейки и шестерни с высоким уровнем исполнения, а также улучшение качества их взаимного монтажа, либо использование разрезной или двойной шестерни, - все это сильно утяжеляет конструкцию, делает ее технологически сложной и зависимой от каждого узла системы, где выход из строя любой мелкой детали или ее износ, ведет к потере точности сдвижения по зубчатой рейке всей подвижной системы.
Задачей заявленного решения является поиск балансового технического решения, при котором используются недорогие зубчатые рейки и зубчатые колеса, но при этом обеспечивается оптимальный люфт и оптимальное прижатие зубчатого колеса к зубчатой рейке, при которых сохраняется высокое качество передачи и не возникает износа и истирания передачи. Тем самым, ставится задача: исключить потребность в использовании дорогой и технологически сложной в изготовлении качественной зубчатой рейки и шестерни с высоким уровнем исполнения, исключить потребность в качестве их взаимного монтажа, использование разрезной или двойной шестерни.
Техническим результатом является повышение и стабилизация точности перемещения по зубчатой рейке, снижение шумности работы зубчатого зацепления, увеличение срока службы зубчатой рейки и шестерни при использовании зубчатых реек и шестерен среднего класса точности. Кроме того, обеспечивается предотвращение заклинивания и учет выступающих участков зубчатой рейки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ стабилизации движения по зубчатой рейке, в котором зубчатая рейка и линейная направляющая крепятся на неподвижной части, а для перемещения вдоль рейки используют двигатель, которым вращают зубчатое колесо, расположенное на подвижной части, причем на линейной направляющей размещают по меньшей мере две подвижные каретки, которые крепят к подвижной части, отличающийся тем, что линейную направляющую крепят параллельно вдоль зубчатой рейки на неподвижной части, а к подвижной части перпендикулярно линейной направляющей крепят вертикальную линейную направляющую, на которой ставят с возможностью вертикального смещения вверх-вниз стабилизирующую каретку, к стабилизирующей каретке крепят пластину, через которую пропускают вал двигателя, вращающего зубчатое колесо, при этом в зоне, расположенной выше вала двигателя к подвижной части крепят кронштейн, через отверстие в котором пропускают натяжитель пружины, которую другим концом соединяют с выступом, закрепленном на пластине.
Предпочтительно, неподвижную часть выполняют в виде станины.
Предпочтительно, в месте наибольшего зацепления зубьев натяжение пружины обнуляют упором на регулируемый ограничитель, который пропускают через кронштейн и концом упирают в верхнюю часть корпуса двигателя, вращающего зубчатое колесо, или в пластину, на которой он закреплен.
Также заявлено устройство для стабилизации движения по зубчатой рейке, в котором зубчатая рейка и линейная направляющая закреплены на неподвижной части, а на подвижной части закреплен двигатель, связанный моментом вращения с зубчатым колесом, причем на линейной направляющей установлены подвижные каретки, закрепленные к подвижной части, отличающееся тем, что линейная направляющая закреплена параллельно вдоль зубчатой рейки на неподвижной части, а на подвижной части закреплены по меньшей мере две каретки, установленные на линейной направляющей, причем на подвижной части перпендикулярно линейной направляющей закреплена вертикальная линейная направляющая, на которой установлена с возможностью вертикального смещения вверх-вниз стабилизирующая каретка, к которой закреплена пластина, через которую пропущен вал двигателя, вращающего зубчатое колесо, а к подвижной части в зоне, расположенной выше вала двигателя, вращающего зубчатое колесо, закреплен кронштейн, имеющий отверстие, через которое пропущен натяжитель пружины, которая другим концом соединена с выступом, закрепленном на пластине.
Предпочтительно, неподвижная часть представляет собой станину.
Предпочтительно, через кронштейн пропущен регулируемый ограничитель, который концом упирают в верхнюю часть корпуса двигателя, вращающего зубчатое колесо, или пластину, на которой он закреплен.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показано устройство системы стабилизации движения по зубчатой рейке (вид с торца).
На Фиг. 2 показано устройство системы стабилизации движения по зубчатой рейке (вид сбоку в разрезе).
На чертежах: 1 - подвижная часть, 2 - каретка линейной направляющей, 3 - линейная направляющая подвижной части, 4 - станина, 5 - зубчатая рейка, 6 - зубчатое колесо, 7 - вертикальная линейная направляющая системы стабилизации, 8 - стабилизирующая каретка вертикальной линейной направляющей, 9 - двигатель, 10 - пружина, 11 - натяжитель пружины, 12 - ограничитель, 13 - вал двигателя, 14 - кронштейн, 15 - пластина.
Осуществление изобретения
Заявленный способ стабилизации движения по зубчатой рейке реализуется как показано на Фиг. 1, Фиг. 2. Зубчатая рейка 5 и линейная направляющая 3 крепятся на неподвижной части, которая может представлять из себя, например, станину 4.
На направляющей размещают по меньшей мере две подвижные каретки 2, которые крепят к подвижной части 1. Подвижную часть выполняют, например, в виде набора соединенных пластин, к которым крепятся те или иные узлы.
Для перемещения зубчатой рейки 5 используют двигатель 9, которым вращают зубчатое колесо 6, расположенное на подвижной части 1.
Новым является то, что линейную направляющую 3 крепят параллельно вдоль зубчатой рейки 5 на неподвижной части. К подвижной части 1 перпендикулярно линейной направляющей 3 крепят вертикальную линейную направляющую 7, на которой ставят с возможностью вертикального смещения вверх-вниз стабилизирующую каретку 8. К стабилизирующей каретке 8 крепят пластину 15, на которой установлен мотор и редуктор или мотор (если не требуется больших усилий), а через пластину 15 пропускают вал двигателя 13 или вал редуктора, вращающего зубчатое колесо 6. При этом в зоне, расположенной выше вала 13 двигателя 9 к подвижной части 1 крепят кронштейн 14, через отверстие в котором пропускают натяжитель 11 пружины 10, которую другим концом соединяют с выступом, закрепленном на пластине 15.
Принцип стабилизации движения по зубчатой рейке заключается в следующем.
Из-за несовершенства плоскости рельсы линейной направляющей и зубчатой рейки, вхождение в зацепление зубчатого колеса и зубчатой рейки будет различно по длине.
В обычных известных системах как в прототипе, прижим зубчатого колеса к зубчатой рейке обеспечивается движениями кареток вдоль горизонтальных линейных направляющих, которые крепят параллельно вдоль зубчатой рейки на неподвижной части.
Как уже ранее говорилось, прижимая шестерню к зубчатой рейке, можно снизить люфт, но это повлияет на зацепление зубцов, что может привести к повышенному износу и стиранию передачи.
С другой стороны, задачей заявленного решения является исключить потребность в использовании дорогой и технологически сложной в изготовлении качественной зубчатой рейки и шестерни с высоким уровнем исполнения, исключить потребность в качестве их взаимного монтажа, использование разрезной или двойной шестерни.
Поэтому, для обеспечения баланса стабилизации движения по зубчатой рейке необходимо компенсировать люфт механическим способом.
Зубчатая рейка 5 и линейная направляющая 3 закреплены на неподвижной части параллельно друг другу с отступом друг от друга. Это ослабляет сильный прижим шестерни зубчатого колеса 6 к зубчатой рейке 5 с использованием кареток 2.
С другой стороны, вес двигателя 9 напирает на вал 13. Вал в свою очередь напирает на пластину 15, через которую он пропущен. Ослабление прижима шестерни к зубчатой рейке ведет к возникновению люфта, от различного по длине вхождения в зацепление зубчатого колеса и зубчатой рейки. Люфт же мягко устраняется работой системы стабилизации движения по зубчатой рейке. Этот принцип основан на том, что вертикальные колебания подвижной части 1, на которой закреплен двигатель, гасятся за счет движений стабилизирующей каретки 8 вверх-вниз вдоль вертикальной линейной направляющей 7.
Динамичное изменение положения стабилизирующей каретки обеспечивается натяжением пружины 10 и регулировкой силы ее натяжения. Усилие прижима создается растянутой пружиной 10, натяжение которой регулируется натяжным болтом натяжителя 11, но в местах наименьшего (наибольшего) зацепления оно может обнуляться упором на ограничитель 12, который пропускают через кронштейн 14 и концом упирают в верхнюю часть корпуса двигателя 9, вращающего зубчатое колесо 6, или в пластину 15, на которой он закреплен.
Таким образом, заявленное решение обеспечивает систему стабилизации движения по зубчатой рейке, исключающую нагрузки на трансмиссию и люфты при неровностях взаимного расположения шестерни и зубчатой рейки. Плавающая подвеска механизма стабилизации прижимает шестерню к рейке с необходимым усилием, выбирая люфты. Таким образом, снижается шумность работы зубчатого зацепления, сохраняется точность перемещения и значительно увеличивается срок службы зубчатой рейки и шестерни.
С другой стороны, благодаря устранению люфта обеспечивается стабильное движение по зубчатой рейке, предотвращающее заклинивание и учитывающее выступающие участки зубчатой рейки и ее приработку. Приработка рейки зубчатым колесом, являясь фактически неизбежным негативным явлением для любой зубчатой передачи, в то же время в начальный период эксплуатации уменьшает неточности сборки конструкции.