構造、コンポーネント、電子配線、保守性。

機械工学、電気工学、プログラミング工学、制御工学を融合させるのは容易ではありません。しかし、技術の進歩を統合し、これら5つの分野に重点を置くことで、プロセスを簡素化し、メカトロニクスを容易に実現することができます。

今日の製品開発サイクルの急速な変化と技術の急速な進歩により、より高度な分野横断的なエンジニアリングの必要性が高まっています。かつては機械エンジニアはハードウェアに、電気エンジニアは配線と回路基板に、制御エンジニアはソフトウェアとアルゴリズムプログラミングにそれぞれ専念することができました。しかし、メカトロニクスの分野はこれらの分野を融合させ、包括的なモーションソリューションの構築に注力しています。これら3つの分野の進歩と統合により、メカトロニクス設計は合理化されています。

この簡素化こそが、産業用途や製造業におけるロボット工学や多軸直交座標システムの進歩、キオスクや配送システムにおける消費者市場の自動化、そして 3D プリンターの主流文化への急速な受容を推進しているのです。

ここでは、組み合わせることでメカトロニクスの設計が容易になる 5 つの重要な要素を紹介します。

1. 一体型リニアガイドと構造

機械設計において、ベアリングとリニアガイドアセンブリは長年使用されてきたため、モーションシステムの機構は後回しにされがちです。しかし、材料、設計、機能、製造方法の進歩により、新たな選択肢を検討する価値が高まっています。

例えば、製造工程で予め設計されたアライメント機構が平行レールに組み込まれている場合、部品数が少なくなり、精度が向上し、レール全長にわたる変動要因も少なくなるため、コスト削減につながります。また、このような平行レールは、複数の留め具や手作業によるアライメントが不要になるため、設置性も向上します。

かつては、エンジニアがどのようなリニアガイドシステムを選択する場合でも、必要な剛性を確保するために、取り付けプレート、サポートレール、その他の構造も考慮する必要がありました。しかし、新しいコンポーネントでは、サポート構造がリニアレール自体に統合されています。個々のコンポーネント設計から、エンジニアリングされた一体型設計または統合されたサブアセンブリへの移行により、部品数が削減され、コストと労力も削減されます。

2. 動力伝達部品

適切な駆動機構や動力伝達部品の選択も重要な要素です。モーターと電子機器の性能と適切な速度、トルク、精度のバランスをとる選定プロセスは、それぞれの駆動方式がどのような結果を生み出すかを理解することから始まります。

車のトランスミッションが4速で作動するのと同様に、ベルトドライブは長いストロークで最高速度が求められる用途に適しています。一方、その対極に位置するのがボールスクリューとリードスクリューです。これらは、力強く応答性の高い1速と2速を備えた車のようなものです。優れたトルクを提供しながら、急発進、急停止、方向転換に優れています。この表は、ベルトの速度とスクリューのトルクの違いを示しています。

リニアレールの進歩と同様に、プレエンジニアリングされたアライメントも、動的なアプリケーションにおける高い再現性を実現するためにリードスクリュー設計が進歩した分野です。カプラを使用する場合は、モーターとスクリューのアライメントに注意し、精度と寿命を低下させる「ぐらつき」を排除する必要があります。場合によっては、カプラを完全に廃止し、スクリューをモーターに直接固定することで、機械部分と電気部分が直接統合され、部品点数を削減し、剛性と精度を向上させながらコストを削減することも可能です。

3. 電子機器と配線

モーションコントロールアプリケーションにおける電子機器の従来の構成には、複雑な配線に加え、すべてのコンポーネントを組み立てて収納するためのキャビネットや取り付け用ハードウェアが含まれます。その結果、システムは最適化されておらず、調整やメンテナンスも困難になることがよくあります。

最新技術は、ドライバ、コントローラ、アンプを「スマート」モーターに直接配置することで、システム上の利点をもたらします。追加部品を収容するためのスペースが不要になるだけでなく、部品点数も削減され、コネクタと配線も簡素化されるため、エラーの可能性を低減し、コストと労力を削減できます。

4. 製造向け設計（DFM）

• 括弧化

統合設計のレール組み立てが容易になるだけでなく、経験と3Dプリントなどの新技術により、DFM規格に準拠したメカトロニクスおよびロボットアセンブリのプロトタイプ作成能力が向上します。例えば、モーションシステム用のカスタムコネクタブラケットは、工具室や製造工場で処理するにはコストと時間がかかることがよくありました。今日では、3Dプリントを活用すれば、CADモデルを作成し、それを3Dプリンターに送信することで、はるかに短い時間とコストで使用可能なモデル部品を作成できます。

• コネクタ化

DFMのもう一つの分野として、既に取り上げたスマートモーターの活用があります。スマートモーターは電子機器をモーターに直接搭載することで組み立てを容易にします。さらに、コネクタ、ケーブル、ケーブルマネジメントを一つのパッケージに統合する新しい技術により、組み立てが簡素化され、従来の重いプラスチックチェーンタイプのケーブルキャリアが不要になります。

5. 長期的な保守性

新しい技術と設計の進歩は、初期の製造性だけでなく、システムの継続的な保守性にも影響を与える可能性があります。例えば、コントローラとドライブをモーターに搭載することで、必要となるトラブルシューティングが簡素化されます。モーターと電子部品へのアクセスは、整理され、容易になります。さらに、多くのシステムがネットワーク化され、事実上どこからでもアクセスしてリモート診断を実行できるようになりました。