기존 랙 및 피니언 트윈 드라이브, 분할 피니언 기반 설계 및 롤러 피니언 시스템 간에는 많은 차이점이 있습니다.

항공우주부터 기계 공구, 유리 절단, 의료 등에 이르기까지 제조 공정은 안정적인 모션 제어에 달려 있습니다. 이러한 애플리케이션에 필요한 속도와 정밀도를 제공하는 것은 다양한 서보 제어 선형 드라이브 시스템입니다.
일반적인 설정 중 하나는 서보 제어 장치와 기존 나선형 랙 및 피니언을 결합한 것입니다. 후자는 걸림과 과도한 마모를 방지하기 위해 랙과 기어 톱니 사이에 여유 공간이 필요할 수 있습니다. 그렇지 않으면 환경 변화(예: 10° 온도 변화)로 인해 기어 톱니가 확장되면서 시스템이 잠길 수 있습니다. 반면, 클리어런스는 백래시를 발생시키며 이는 오류와 동일합니다.

트윈 및 스플릿 피니언의 클리어런스 문제
정밀 응용 분야의 경우 일반적으로 여유 공간 문제를 해결하는 방법 중 하나는 제어 역할을 하기 위해 첫 번째 시스템에 반대 방향으로 당기는 두 번째 피니언을 추가하는 것입니다.

이 아이디어의 한 가지 반복은 분할 피니언을 사용하는 것입니다. 여기서 피니언은 기본적으로 측면 중앙을 절단하고 두 절반 사이에 스프링을 배치합니다. 분할 피니언이 랙을 따라 움직일 때 피니언의 첫 번째 절반은 랙 톱니의 한쪽을 밀고 나머지 절반은 다음 랙 톱니를 밀어냅니다. 이러한 방식으로 분할 피니언 설정은 백래시와 오류를 제거합니다.

여기서는 피니언의 절반만 작업을 수행하고 나머지 절반은 제어 역할을 하기 때문에 토크 용량이 제한됩니다. 또한 구동 역학이 스프링의 힘을 극복해야 하기 때문에 모션 손실이 발생하여 전체 효율성이 저하됩니다. 가속 상태에서 움직이는 동안 스프링은 동작 정확도를 약간 저하시킬 수도 있습니다. 마지막으로, 드릴링과 같은 작업을 수행하기 위해 피니언이 정지되면 피니언의 스프링 시스템이 단단한 상태를 유지하는 대신 약간 휘어질 수 있습니다.

또 다른 여유 공간 수정은 트윈 피니언 시스템으로 구성됩니다. 이 배열에서는 두 개의 개별 피니언이 동일한 랙을 따라 움직입니다. 피니언은 마스터/슬레이브 방식으로 작동하며, 선두(마스터) 피니언이 위치 지정을 수행하고 두 번째(슬레이브) 피니언이 백래시에 대응합니다. 일반적으로 피니언은 전자적으로 제어되므로 정확도가 유지되고 제어 설정을 조정하여 시스템 마모를 보상할 수 있습니다.

문제는 무엇입니까? 트윈 피니언 시스템은 설계자가 일반적으로 두 번째 모터, 피니언 및 기어박스를 구입해야 하기 때문에 비용이 많이 들 수 있습니다. 설계 공간도 늘려야 합니다. 두 번째 모터는 구동을 실행하는 데 더 많은 길이가 필요합니다. 예를 들어 사용자가 앞뒤로 1m 왕복하는 모션 제어 시스템이 필요한 경우 첫 번째 피니언 뒤에서 200~300mm 이동하는 두 번째 피니언을 수용하려면 1.2m 또는 1.3m의 랙 길이가 필요합니다. 마지막으로, 두 개의 모터에 전력을 공급하는 데 드는 비용은 일반적인 5~10년의 설계 수명 주기에 걸쳐 상당히 높습니다.

롤러 피니언 드라이브의 백래시 없는 작동은 이 라우팅 기계와 같은 긴 스트로크 응용 분야에 적합합니다.
또 다른 옵션: 롤러 피니언
롤러 피니언 기술에는 맞춤형 치형 프로파일로 랙과 맞물리는 베어링 지지 롤러로 구성된 피니언이 포함됩니다. 두 개 이상의 롤러가 항상 반대 방향의 랙 톱니와 연결되어 분할 피니언 및 피니언 구동 시스템보다 더 높은 정확도를 제공합니다. 즉, 각 롤러는 접선 경로로 각 톱니 면에 접근한 다음 마찰을 줄이기 위해 면 아래로 굴러갑니다. 회전 운동을 직선 운동으로 변환할 때 99% 이상의 효율로 작동합니다.

롤러 피니언은 맞춤형 치형 프로파일과 맞물리는 베어링 지지 롤러로 구성됩니다.
설계에는 붕괴되어 정확도가 저하되는 스프링이 없으며 스프링 힘을 극복하는 데 효율성이 손실되지 않습니다. 또한 롤러 동작에는 유격이 필요하지 않으므로 백래시 및 오류가 없습니다. 대조적으로, 전통적인 랙 앤 피니언 시스템의 경우 하나의 피니언 톱니가 랙 톱니의 한쪽 측면을 밀어내고 즉시 톱니의 다음 측면으로 이동해야 합니다.

롤러 피니언은 서로 다른 톱니를 동시에 측면에 배치하여 한 톱니의 한쪽에 걸치고 다른 톱니에 간격을 할당합니다. 첫 번째 피니언에 대응하기 위해 두 번째 피니언이 필요하지 않습니다. 하나의 피니언이 필요한 토크 용량을 정확하게 전달합니다.

또한 롤러 피니언 기반 설계로 수명이 연장되고 유지 관리가 줄어듭니다. 속도가 느린 응용 분야에서는 시스템을 윤활 없이 실행할 수 있습니다. 기존 랙은 시간이 지남에 따라 마모되며 위치 정확도와 토크에 대한 보상이 필요하지만 롤러 피니언은 정확도를 유지합니다. 두 설계의 피니언은 정기적인 교체가 필요하지만 적어도 트윈 피니언에 비해 롤러 피니언의 전체 교체 비용은 더 낮습니다.

적용 사례
대형 항공기 동체 패널 생산을 고려해보세요. 이 응용 분야에서는 갠트리 스타일 기계 전반에 걸쳐 긴 이동 길이와 높은 정밀도가 필요할 수 있습니다. 롤러 피니언 드라이브는 이러한 장거리에서 정확한 선형 포지셔닝을 제공합니다.

이와 대조적으로, 기존의 랙 및 피니언 위치 정확도는 여유 공간 요구 사항으로 인해 충분하지 않을 수 있습니다. 최소한의 여유 공간은 짧은 이동 거리에서 정확성을 유지하지만 장거리에 걸쳐 제조 및 설치하는 데 비용이 많이 들 수 있습니다. 트윈 피니언 시스템(서로 예압된 두 개의 피니언 포함)도 구현할 수 있지만 비용이 많이 들고 일반적으로 장거리에서 발생하는 다양한 간격을 허용하지 않습니다.

트윈 피니언 시스템의 또 다른 일반적인 용도는 유리 섬유 라우팅 기계에서 절단 헤드를 배치하는 것입니다. 처음에는 트윈 피니언 드라이브가 이 응용 분야에서 잘 작동할 수 있지만, 유리 섬유 먼지와 반대쪽 피니언에 의해 생성되는 지속적인 미끄럼 마찰이 결합되어 조기 마모가 발생할 수 있습니다. 슬라이딩이 아닌 롤링을 활용한 롤러-피니언 시스템을 사용하면 수명을 300% 이상 늘릴 수 있습니다.

롤러-피니언 시스템의 회전 버전을 사용하여 다축 위치 지정을 수행할 수도 있습니다. 여기서는 여러 개의 피니언(모두 독립적으로 움직이는)이 하나의 기어에 장착됩니다. 이 설계는 이러한 응용 분야에서 때때로 사용되는 트윈 피니언 드라이브보다 적은 공간을 사용합니다.