直線運動システムの設計時間を短縮する

3軸デカルトガントリーシステム

耐久性と高性能を確保しながら設計時間を短縮できます。

設計プロセス全体ではないにしても、一部分を戻って繰り返す必要を避けるために、最初に関連するアプリケーション情報をできるだけ多く取得します。スコープの変更に注意して準備してください。理論的な計算と分析を使用して最適な初期設計を決定し、それを実際の機器での主要な性能特性のテスト測定と比較します。実際のフィールド条件でサイクルテストを実行し、ベンチテストの結果を確認します。

要件の特定

ほぼすべてのエンジニアリングプロセスの最初の非常に重要なステップは、アプリケーションの要件を特定することです。各製品には、そのパフォーマンスに影響を与える独自の基準セットがある場合があります。チェックリストを使用すると、見落とされる可能性のあるパラメータを確実に考慮するのに役立ちます。

サンプルチェックリストの主要なアプリケーション情報データには、次のものが含まれる場合があります。

• 負荷/速度 (動的および静的)
• 電圧：DC12、24、36、48V、AC110、220V
・荷重の方向
• ストローク長
• 寿命/デューティサイクル
• 環境
• ストロークエンド保護: クラッチ?制限スイッチ？
• アクチュエータはどのように制御されますか?
• フィードバック
• UL、CSA、CE
• その他: その他の設計上の考慮事項については、アクチュエータアプリケーションエンジニアにご相談ください。

特定の用途に適したボールねじアセンブリを選択するには、最小のエンベロープと最もコスト効率の高いソリューションを決定するための反復プロセスが必要になる場合があります。設計荷重、線速度、および位置精度の要件を使用して、適切なボールねじアセンブリの直径、リード、および耐荷重を計算します。個々のボールねじコンポーネントは、寿命、寸法上の制約、取り付け構成、環境条件に基づいて選択できます。

荷重の方向と大きさを定義することから始めるとよいでしょう。システムの方向性は非常に重要です。水平方向の場合、駆動負荷はペイロード重量と摩擦係数の積に等しくなります。垂直方向の場合、ドライブの負荷は重量と同じになります。リニアベアリングおよびリニアガイドに作用する荷重は、垂直荷重、水平荷重、ピッチ、ロール、ヨーモーメント荷重、あるいはそれらの組み合わせなどです。荷重の大きさや方向も異なる場合があります。

システム全体の負荷ベクトルのみに基づいて期待寿命を見積もることはできないため、各ベアリングでの合成荷重ベクトルは、リニアベアリングシステムが受けるさまざまな荷重ベクトルの適切な組み合わせから確立する必要があります。各リニアベアリングが受ける荷重は、そのベアリングの等価荷重と呼ばれます。次に、最も重荷重がかかるベアリングのサイズに基づいてシステムのサイズが決定されます。等価荷重の計算方法の詳細については、リニアベアリングおよびリニアガイドのメーカーカタログを参照してください。

たとえば、ボールねじアセンブリは、回転運動を軸方向の運動に変換して軸方向の荷重を伝達することを目的としています。圧縮荷重下での座屈に耐えるボールねじの能力は、コラム強度と呼ばれます。ねじは、ボールナット (その補完部分) に加えられる荷重と実質的に大きさが等しく、方向が反対の軸方向荷重を担持し、設計形状によって駆動モーターのトルクに関連付けられます。一般に、柱の強度は、長さが長い場合、材料の実際の圧縮強度よりも大幅に低くなる可能性があるため、設計パラメータを制限します。自由長と直径の比はコラムの座屈と密接に関係しているため、特定の直径に対して、ボールねじの軸方向負荷容量は自由長に依存することになります。

線形運動システムの寿命は、その動作プロファイルに基づいて予測できます。単純に、ボールねじが 1 日に何時間、1 週間に何日、1 年間に何週間稼働するかということです。より複雑なアプリケーションやより洗練された寿命予測の場合は、動作を基本的に直線のセグメントに分割して、詳細で包括的な動作プロファイルを構築する必要があります。動作プロファイルの各セグメントには、セグメントの開始時と終了時の速度、セグメントの継続時間、およびセグメント中のトルクに関する情報が必要です。

アプリケーションに必要な位置精度と再現性を決定します。たとえば、インチボールねじは通常、Precision と Precision Plus の 2 つのグレードで製造されます。精密グレードのボールねじは、比較的粗い動きを必要とするアプリケーションや、位置決めに線形フィードバックを利用するアプリケーションに使用されます。Precision Plus グレードのボールねじは、ミクロン以内の再現性のある位置決めが重要であり、リニアフィードバックデバイスが使用されない場合に使用されます。プレシジョングレードのネジはネジの有効長さ全体にわたって累積変動が大きくなりますが、プレシジョンプラスグレードのネジはリード誤差の蓄積を制限し、ネジの有効長さ全体にわたってより正確な位置決めを実現します。

サイズと選択

リニアモーションシステムのサプライヤーが提供するチャートは、リニアモーションシステムの適切なサイジングと選択への時間を節約する近道となります。例として 3 軸溶接ガントリーアプリケーションを使用して、カタログ式を使用してボールねじを選択し、サイズを決定する方法を示します (図 2)。ボールねじは X 軸の全長に渡って配置されており、両端がベアリングサポートによって支持されています。簡単にするために、ナット取り付けをフランジ付き、材質を合金鋼、ねじ方向を右回り、製品シリーズをメートル法として定義します。このアプリケーションのシステムの向きは水平で、ネジ駆動の設計で、X 軸の長さは 6 メートルです。熱的に安定したフランジ量を備えた固定端を使用します。

プロファイルレール上のキャリッジによって 2,668.9 ニュートン (600 ポンド) の荷重がかかります。移動長は 4.5 m (177.165 インチ)、サポートされていない長さは 5.818 メートル (229.055 インチ) です。必要な速度は 0.1 メートル/秒 (3.927 インチ/秒)、加速度は ±2.5 m/s2 (98.4 インチ/s2) です。デューティサイクルは 1 日あたり 8 時間、1 週間あたり 5 日、年間 50 週間で、1 時間あたり平均 10 サイクルです。寿命要件はボールねじが 20 年、部品が 5 年です。電気工学部門の希望により、ステッピングモーターを使用することが追加の要件となります。

次に、X 軸のリニアベアリングを選択します。この用途の主な要件は、高い耐荷重と高い剛性です。このアプリケーションの移動距離は 5,500 メートル (18 フィート) と比較的長いです。ただし、6 メートルの長さのネジが利用できるため、突き合わせ接合の必要がなくなります。メンテナンスの手間がかからないことは、このアプリケーションの重要な要件です。その結果、500 シリーズボールプロファイルレールリニアガイドが選択されました。

これを選択すると、ボールねじにかかる負荷を計算できます。この荷重に基づいて、NEFF KGF-D ボールナットが開始点として選択されます。このボールナットには一体型フランジ、一体型ワイパー、DIN 69051 取り付けが付いています。ボールねじの精度は±50μm/300mmです。

次に、平均余命要件がチェックされます。通常、寿命は L10 で評価されます。これは、ボールねじの 90% がまだ機能するまでの時間を表します。このアプリケーションでは、平均寿命は 1,035,752.6 年です。寿命がこれほど長いのは、寿命ではなく臨界速度を基準にボールねじを選定したためです。

提案された設計のテスト

計算に基づいて設計を選択したら、前提条件が正しいことを確認するためにテストする必要があります。テストは、提案された内容が実際に提供されたことを検証し、そうでない場合には、必要な修正措置の指針となるように設計されています。検証テストは、次のような質問に答えるように設計する必要があります。

• 完成品は設計仕様を満たしていますか?
• パフォーマンスは実験の限界内で、理論上の計算と一致していますか? 一致していない場合は、どの程度変動しており、その理由はわかりますか?
• 製品は必要なレベルの信頼性を提供しますか?
• 製品の潜在的なモードと障害点は何ですか?
• 現在のソリューションは代替案と比べてどうですか?

大規模なシステムや機械の場合は、コンポーネントのテストから始めて、サブアセンブリのベンチテストに進み、最後にアセンブリ全体のテストに進むことができます。テストの各段階で、テスト結果をレビューし、理論上の計算と比較して、設計が正しい軌道に乗っているかどうかを確認したり、合理的な改善の機会を検討したりする必要があります。テストは、計算やモデリングで見逃した可能性のあるものを明らかにすることを目的としています。

構成された直線運動システム

また、プロセス全体を通して、独自のリニアモーションシステムを設計して組み立てるよりも、構成済みのリニアモーションシステムを購入する方が合理的かどうかを検討することも重要です。この場合、取り付け構成、位置決め要件、環境条件、荷重条件、移動要件、特別な考慮事項などのアプリケーションの要件をリニアモーションインテグレータに提供します。インテグレータは通常、Web ベースのサイジングおよび選択システムを利用して、入力に基づいてカスタムの直線運動システムを設計および構成します。インテグレーターは、多くの場合、リクエストから 24 時間以内に、提案された設計の見積もりと CAD ファイルを提供します。ほとんどの場合、このようなシステムのコストは、個々のコンポーネントのコストよりも低くなります。

このアプローチにより、通常、エンジニアリング時間と組み立てコストが 90% 以上削減され、多くの場合、材料コストが 20 ～ 30% 削減されます。最も重要なことは、リニアモーションシステムの設計に費やす時間を削減することで、エンジニアがコアコンピテンシー以外の領域での作業に費やす時間が減り、最も得意とするシステム全体の統合に集中できるようになるということです。

要約すると、設計時間を節約するには、すべての有用なリソースを活用してください。リニアモーションベンダーが、エンジニアリングおよびアセンブリコストの削減に役立つ構成済みのリニアモーションアセンブリを提供できることを見落とさないでください。コンポーネント、モジュール、完全なシステムの購入の選択肢を、設計と組み立て時間への影響の観点から評価します。チャート、数式、オンライン選択システム、3D モデルなど、利用可能なすべての設計ツールを最大限に活用してください。最後に、技術サポートを利用して、標準ソリューション、修正標準ソリューション、特殊ソリューションにおける製品の専門知識を活用します。ベンダーが設計の主張や設計の立場を裏付ける設計検証/テスト/分析データを持っていることを必ず確認してください。このアプローチにより、リニアモーションシステムが性能と耐久性の要件を確実に満たしながら、設計時間を最小限に短縮できます。

投稿日時: 2022 年 3 月 28 日

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