Зубчато-реечные передачи обычно входят в состав привода, который содержит кинематическую цепь, состоящую из двух ветвей зубчатых колес, приводимых во вращение одним двигателем. Выходные зубчатые колеса каждой ветви находятся в зацеплении зубчатой рейкой закрепленной на подвижном узле, обеспечивая при этом перемещение в обе стороны. Достоинствами этих передач являются малые потери на трение и высокий КПД, технологичность изготовления и сборки и, как следствие, низкая стоимость, а недостатками механизма - малая редукция по сравнению с винтовыми парами, отсутствие самоторможения, сравнительно высокий упругий люфт механизма в целом.
В станках с ЧПУ для выборки зазоров в передаче и создания предварительного натяга, существенно повышающего крутильную жесткость, применяют разветвленные кинематические цепи со специальными нагрузочными устройствами (рис. 1, а) или две независимые кинематические цепи с приводом от разных двигателей (рис. 1, б), один из которых работает в приводном, а второй - в тормозном режиме. В зависимости от направления движения каждый двигатель может быть приводным или тормозным. На рис. 1, а приведена конструкция нагрузочного устройства для создания предварительного натяга, в котором зазоры выбираются за счет осевого смещения распределительного вала (РВ), несущего два косозубых колеса с различным направлением зубьев, которые разворачивают реечные зубчатые колеса в противоположные стороны. Для создания осевого движения распределительного вала используются либо гидроцилиндр (Ц), либо пружины.
Рис. 1. Способы обеспечения предварительного натяга в передачах
Винто-реечная шариковая передача представляет собой короткий шариковый ходовой винт, который в результате вращения перемещается по длинной червячной рейке (рис. 2). Такая передача предназначена для приводов подач в станках с весьма большой длиной хода и обладает высоким КПД. Червячная рейка закреплена вдоль станины подобно зубчатой рейке в зубчатых приводах подач. Для нормальной работы винто-реечной передачи необходимо обеспечивать как при изготовлении, так и во время эксплуатации станка высокую точность направляющих по параллельности и плоскостности (не хуже 5-10 мкм на всей длине хода).
Рис. 2. Конструкция винтореечной шариковой передачи
В особо тяжелых станках для уменьшения трения в паре червяк-рейка скольжения между контактирующими поверхностями осуществляется гидростатический режим смазки, при котором от внешнего источника питания через специальные каналы подается под давлением смазочная жидкость и постоянно поддерживается тонкий слой смазки в стыке сопряженных рабочих поверхностей пары, т. е. между зубьями червяка и рейкой (рис. рис. 3).
Рис. 3. Гидростатическая червячно-реечная передача
Когда работает привод подачи в режиме позиционирования подвижный узел должен быть установлен в новой позиции с заданной точностью. Погрешность позиционирования - это разность между заданным по программе и фактическим положением узла.
Увеличение точности позиционирования - одна из важнейших задач при создании станков с ЧПУ также, как и повышение производительности этой процедуры.
В станочных системах, как правило, основную часть пути (Х) позиционирования узел проходит на высокой скорости (Vmax), a перед остановкой - на «ползучей» скорости (Vп). В большинстве существующих приводов изменение скорости осуществляется плавно (рис. 4, а), а в некоторых - ступенчато (рис. 4, б).
Для исключения влияния люфтов в механизме привода и получения более высокой точности и стабильности позиционирования подвод узла к заданной позиции производится всегда с одной стороны (рис. 4, в), при этом высокая скорость (V1) может иметь различные знаки, а «ползучая» - всегда один и тот же знак. Скорость Vmax при всех вариантах выбирается исходя из минимума времени позиционирования. С этой точки зрения нельзя увеличивать скорость V1 до величин, при которых потери времени на переключение привода в сторону замедленного движения будут превышать выигрыш от увеличения скорости. Величина скорости V1 определяется величиной пути узла при позиционировании.
Рис. 4. Варианты изменения скорости перемещения при позиционировании подвижного узла
Зубчато-реечные передачи применяют в приводе подач крупных станков, например их устанавливают на портальные фрезерные станки с ЧПУ, при продолжительных перемещениях, а также в приводе главного движения (в продольно-строгальных, долбежных станках). Достоинствами этих передач являются:
- малые потери на трение и высокий КПД;
- технологичность изготовления и сборки пары зубчатое колесо-рейка, что обеспечивает низкую стоимость.
К недостаткам зубчато-реечных передач следует отнести:
- малую редукцию по сравнению с винтовыми парами: за один оборот зубчатого колеса рейка перемещается на длину начальной окружности этого колеса, что снижает точность станков при контроле угла поворота зубчатого колеса;
- отсутствие самоторможения;
- сравнительно высокая упругая податливость механизма.
В станках с числовым управлением для устранения зазоров в передаче и создания предварительного натяга между звеньями, существенно повышающего крутильную жесткость, применяют разветвленные кинематические цепи со специальными нагрузочными устройствами (рис. 5, а) или две независимые кинематические цепи с приводом от разных двигателей (рис. 5, б), один из которых (основной) работает в двигательном, а второй (зависимый) - в тормозном режиме. Зависимый привод следует за основным таким образом, чтобы выбрать зазор в передачах. В зависимости от направления перемещения каждый из приводов может быть основным или зависимым. Такая конструкция позволяет развивать большие ускорения с меньшей затратой мощности по сравнению с конструкцией, приведенной на рис. 5, а.
Конструкция нагрузочного устройства для выборки зазоров и создания предварительного натяга показана на рис. 5, в. зазоры выбираются за счет осевого смещения распределительного вала, несущего два косозубых колеса с зубьями разного направления, которые разворачивают реечные зубчатые колеса в противоположные стороны.
Осевое перемещение распределительного вала может осуществляться от гидроцилиндра или пружин.
Передачи зубчатое колесо-рейка рассчитывают так же, как и зубчатые передачи.
Рис. 5. Зубчато-реечные передачи станков: 1 - распределительный вал; 2, 3 - косозубые колеса; 4 - приводное колесо; 5 - гидроцилиндр; 6, 7 - реечные колеса; 8 - рейка
