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包装機用直線運動システム

設計者やエンジニアは通常、直線運動システムにおける摩擦を回避または軽減しようと努めます。摩擦は必ずしも悪いものではなく、用途によっては減衰効果をもたらし、サーボチューニングの改善に役立つ場合もありますが、直線運動システムにおいては、負荷を動かすのに必要な力を増加させ、熱を発生させ、摩耗を増加させ、寿命を縮める原因となります。
直線運動システムでは、さまざまな要因から摩擦が発生しますが、その一部は設計や適切なメンテナンスによって軽減できます。ここでは、直線運動システムにおける摩擦の原因となる要因を考察し、部品選定やシステム設計を通して摩擦を低減する方法について解説します。

滑り接触と転がり接触
直線運動システムにおける摩擦を低減する主な方法の一つは、滑り接触ではなく転がり接触を利用する部品を使用することです。例えば、滑り運動を利用するリードスクリューやプレーンベアリングガイドは、荷重を受ける面間の接触面積が大きいため、転がり要素よりも摩擦が大きくなります。
滑り接触のあるベアリングでは、静止摩擦(始動時)と動摩擦(運動摩擦)の差が大きくなるため、スティックスリップ、またはスティクションと呼ばれる現象が発生します。スティックスリップは、静止摩擦(高い)から動摩擦(低い)への移行時に、システムが動作開始時に目標位置をオーバーシュートする原因となります。
レースウェイの形状

転がり軸受は滑り軸受に比べて摩擦がはるかに少ないものの、完全に摩擦がないわけではありません。転がり軸受の摩擦には、多くの要因(その多くは軸受の設計に固有のもの)が影響します。その一つが軌道面の形状、つまり転動体と軌道面との接触の種類と面積です。
転がり軸受の軌道面形状は、一般的に2点円弧形状と4点ゴシックアーチ形状のいずれかが用いられます(ただし、これらの形状にはいくつかのバリエーションが存在します)。低摩擦用途では、2点円弧形状が一般的に好まれます。これは、4点ゴシックアーチ形状よりも差動滑りが少なく、したがって摩擦も少ないためです。

再循環

循環式ボールベアリングやローラーベアリングでは、転動体が負荷ゾーンに出入りするたびに、負荷を支える要素の数が絶えず変動します。これにより摩擦力にばらつきが生じ、マイクロマシニングや計測などの高感度な用途では悪影響を及ぼす可能性があります。こうした摩擦変動を低減するため、循環式リニアガイド(およびボールねじ)のメーカーは、循環部品とプロセスの最適化に多大な研究開発努力を注いできました。一般的に、高精度クラスのベアリングほど、摩擦特性が滑らかで均一になります。

プリロード

予圧をかけることで、ベアリングとガイド(またはナットとネジ)間の接触面積が増加し、隙間がなくなります。これによりベアリングの剛性が向上し、たわみが軽減されますが、摩擦も増加します。そのため、必要な剛性と精度が得られる範囲で、できるだけ低い予圧レベルを使用することをお勧めします。

アザラシ

リニアガイドやスクリューの設計および動作特性の中で、最も摩擦の原因となることが多いのはシールです。ボールまたはローラーを使用するリニアベアリング(循環式か否かを問わず)は、ほとんどの用途において、潤滑油の保持と異物混入の防止のためにシールを必要とします。また、汚染度の高い環境では、通常、側面(横方向)シールと端部シールの両方が必要となります。
メーカー各社は、わずかな隙間のあるシールから両面密着型のシールまで、さまざまな材質とタイプのシールを提供していますが、最も効果的なシールは、もちろん、ガイドやねじ部品との接触面積が最大になるものです。しかし、接触面積が大きくなると摩擦も大きくなります。予圧と同様に、シールについても、用途や環境に適したオプションを選択することが重要ですが、過剰なシールは避けるべきです。

潤滑

潤滑の重要な機能の一つは、転がりまたは滑り合う要素間の摩擦を低減することです。しかし、潤滑剤を使いすぎたり、粘度の高い潤滑剤を使用したりすると、かえって摩擦が増加する可能性があります。そのため、メーカーの指示に従い、適切な種類の潤滑剤を適切な量で使用することが重要です。

ラジアルベアリング

ラジアルベアリングは、ほぼすべての直線運動システムに存在し、ボールねじやリードスクリューのシャフト、ベルト駆動システムのプーリーなどの回転部品を支えています。直線ガイドやねじに比べると比較的小さいものの、これらのラジアルベアリングも摩擦を生じさせるため、システムの設計やサイズ選定の際に考慮する必要があります。


投稿日時:2022年5月23日
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