Cremallera Helicoidal para Sistemas de Movimiento Lineal Precisos

Hay muchos tipos de piñones en stock. Si la aplicación requiere una longitud larga que necesita muchas cremalleras conectadas en serie, tenemos cremalleras con bordes de dientes correctamente configurados. Estas se denominan "cremalleras de engranaje con extremos mecanizados".

Hay aplicaciones donde la cremallera helicoidal está fija mientras el piñón se mueve y otras donde el piñón gira alrededor de un eje fijo mientras la cremallera se mueve. La primera se usa ampliamente en sistemas de transporte, mientras que la segunda puede usarse en sistemas de extrusión y aplicaciones de elevación/descenso.

Como elemento mecánico para transformar movimiento rotativo en lineal, las cremalleras a menudo se comparan con los husillos de bolas. Hay pros y contras. Las ventajas de una cremallera son su simplicidad mecánica, gran capacidad de carga, sin límite de longitud, etc. Una desventaja es el juego (backlash). La ventaja de un husillo de bolas es la alta precisión y menor juego, mientras que sus deficiencias incluyen el límite de longitud por deflexión.

Tipos de Cremallera

Los engranajes cremallera-piñón están disponibles en dos variantes:

• Dientes rectos: el eje del diente es paralelo al eje de rotación. Dientes rectos que corren paralelos al eje del engranaje.
• Dientes helicoidales: los engranajes helicoidales proporcionan contacto continuo a lo largo de la longitud del diente y suelen ser más silenciosos y eficientes que los de dientes rectos, y también ofrecen mayor carga para el mismo ancho de cremallera. Los engranajes helicoidales se asemejan a engranajes rectos en el plano de rotación, pero incluyen dientes torcidos a lo largo de una trayectoria helicoidal en la dirección axial.

Aplicaciones

Los accionamientos de cremallera helicoidal son ideales para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo ejes que requieren posicionamiento preciso y repetibilidad, puertas correderas y columnas, robots pick & place, enrutadores CNC, y sistemas de manipulación de materiales. Estos accionamientos también pueden manejar fácilmente cargas pesadas y ciclos de trabajo. Industrias servidas incluyen manipulación de materiales, automatización, automoción, aeroespacial, herramientas de máquina y robótica.

El movimiento lineal es necesario para el movimiento de máquinas; transporta herramientas y productos de manera eficiente y controlada. Los generadores de movimiento lineal se clasifican generalmente según su velocidad y aceleración axial, fuerzas axiales contra volumen de estructura, durabilidad, rigidez y precisión de posicionamiento.

Dos sistemas lineales populares son motores lineales y accionamientos por tornillo. Los accionamientos cremallera-piñón a menudo se pasan por alto como tecnología de generación anterior con precisión de posicionamiento limitada. Sin embargo, esta suposición es inválida.

Superficies de montaje rectificadas de precisión con tolerancias ajustadas, tratamiento superficial resistente al desgaste, dientes de engranaje desbarbados individualmente y diseños compactos ligeros aumentan la productividad. De hecho, los accionamientos cremallera-piñón se comparan favorablemente con motores lineales y husillos de bolas con husillo o hilo terrestre.

Los nuevos sistemas de cremallera-piñón de nueva generación ofrecen alta dinámica y distancias de recorrido ilimitadas. Algunos incluyen engranajes servo premium y actuadores con menos de 1 arcmin de holgura, hasta 98,5 % de eficiencia, y dimensiones mucho más compactas que combinaciones estándar de servo y engranaje. Algunas cremalleras pre-ensambladas pueden trabajar con precisión de hasta 10 µm, asegurando seguridad y movimiento suave.

Aplicaciones típicas de cremallera-piñón incluyen pórticos, transporte y máquinas de envasado desde unas pocas libras hasta varias toneladas. Los nuevos juegos de cremallera también se usan en máquinas para carpintería, máquinas de corte de metal de alta velocidad y máquinas de ensamblaje.

Geometría y Detalles de Superficie

El rendimiento de la cremallera ha mejorado con el progreso tecnológico general. Por ejemplo, el mecanizado y rectificado de última generación han aumentado enormemente la precisión del mecanismo cremallera-piñón.

Más específicamente, algunos componentes de cremallera de alta calidad son grabados láser para un error de paso acumulado de ±12 µm sobre una longitud de 500 mm, permitiendo selección manual de precisión objetivo. Esto es útil para alineación paralela de componentes de cremallera en aplicaciones de pórtico de doble accionamiento. De hecho, este nivel de precisión permite que varios tipos de máquinas funcionen sin dispositivos de retroalimentación externa; otros sistemas lineales requieren costosos dispositivos de retroalimentación externa para conmutación y posicionamiento.

La cremallera helicoidal con ángulo de hélice optimizado es preferida para operación más silenciosa a velocidades más altas y mayores capacidades de carga debido a la mayor relación de contacto dental. El error de un paso entre los dientes helicoidales puede alcanzar 3 µm. Un desplazamiento de perfil del piñón o modificación de adéndum previene el subcorte; también equilibra tensiones de flexión, para mayor capacidad de carga. El engranaje helicoidal se engancha suave y silenciosamente —lo que ayuda a mejorar el acabado superficial, por ejemplo, al mecanizar piezas de tolerancia ajustada.

Integración Cremallera-Piñón

Hay muchas opciones para montar kits de cremallera. Algunas cremalleras usan superficies de montaje especiales para asegurar precisión, mientras que otras proporcionan rendimiento adecuado incluso con instalación básica. La flexibilidad natural del diseño puede usarse para mejor control: a diferencia de motores lineales de accionamiento directo, los juegos de cremallera permiten ajustar tamaño de piñón, engranajes y amortiguación —para estabilizar control de lazo cerrado.

Hay trampas: demasiado espaciado del piñón y la cremallera causa juego que reduce la precisión. Un montaje dañado o desalineado también puede dañar los cojinetes de la caja de engranajes —causando mayor consumo de corriente del motor, ruido e incluso fallo. Para mejor rendimiento, el piñón debe estar suficientemente espaciado de la cremallera, montado plano, y perpendicular al engranaje con una precisión de unos 25 µm para muchas aplicaciones.

Los avances en engranajes cremallera-piñón y la caída de precios de servomotores significan que los servomotores se acoplan típicamente a sistemas de cremallera. Los motores paso a paso son una opción viable, pero los servomotores son preferidos por su precisión.

Precarga

A veces los juegos de piñón se precargan para eliminar juego y aumentar rigidez. Aquí, dos engranajes se mueven en la misma cremallera. El piñón principal impulsa el mecanismo como en la configuración normal; mientras tanto, el piñón auxiliar puede generar par para aplicar fuerza contraria a los dientes con los que está en contacto. Así, la inercia y resistencia previenen el juego, incluso durante cambios de carga; la rigidez del sistema también aumenta y mejora la dinámica de dirección.

Si los componentes se seleccionan correctamente, no hay deficiencias significativas en la precarga del sistema de cremallera. Por otro lado, la precarga mecánica puede reducir realmente la rigidez general de la máquina. Por ejemplo, un piñón de muelle partido reduciría la rigidez del sistema:

Tenga en cuenta que, a diferencia de sistemas de precarga electrónica más sofisticados, estos piñones de precarga tradicionales no pueden trabajar juntos; uno siempre va contra el otro, lo que reduce ligeramente la eficiencia.

En juegos de cremallera más sofisticados, la precarga electrónica se mantiene al máximo mientras el sistema está parado. Piñón principal y auxiliar —ambos activamente accionados— presionan en los dientes de las cremalleras enfrentados en direcciones opuestas. Luego, a medida que la máquina acelera, el piñón principal impulsa la máquina hacia adelante mientras el piñón secundario reduce la precarga de la fuerza opuesta. Cuando el sistema desacelera a velocidad constante, el engranaje auxiliar entra en contacto con el lado del diente que corresponde al acoplado al piñón principal; entonces los dos engranajes se mueven en la misma dirección mientras previenen el juego.

Finalmente, a medida que el sistema frena, el piñón auxiliar vuelve a aplicar fuerza al lado opuesto del diente para ayudar a frenar la carga.