機械を製造する仕事をしている方なら、アクチュエータや位置決めステージを日々扱っていることでしょう。しかし、これらのモーションデバイスから本当に最高の性能や最低の所有コストを得られているのでしょうか？その答えは、あなたの予想とは異なるかもしれません。

エンジニアは往々にして、ステージやアクチュエータを単なる部品表上の項目の一つとしか考えていない。モーションデバイスが、所望の位置決め、力、ペイロード、速度、コストといった要件を名目上満たしていれば、それで十分だと考えているのだ。

動作要件が単純な場合は、このステージまたはアクチュエータの選定方法で十分な結果が得られる可能性があります。しかし、複雑な機械的動作要件を持つ機械では、組み込みモーション設計戦略が有効です。互換性が保証されない可能性のある電気機械部品の集合体ではなく、組み込みモーションシステムは真のプラグアンドプレイ方式の機械サブシステムとして機能します。

組み込みモーションシステムは、機械上のあらかじめ定義された物理的スペースに収まるように設計されており、機械のモーション制御システムに接続され、上位レベルのコンピュータインターフェース、制御カード、またはPLCからのコマンドを受け入れる準備ができています。最もシンプルな組み込みモーションシステムは、簡単に設置できるようにコネクタが取り付けられたステージまたはアクチュエータのみで構成される場合があります。最も複雑な場合、これらのモーションサブシステムはピン配置からペイロードまでを網羅します。モーションデバイス自体だけでなく、それが搭載するすべてのものも含まれます。

機械動作を部品ごとに個別に制御するアプローチと比較して、組み込みモーションにはいくつかの魅力的な利点があります。

機械的性能

同じステージやアクチュエータを使用する場合でも、組み込み型モーションシステムは、一般的にコンポーネントベースのモーションシステムよりも優れた性能を発揮します。その理由は、アプリケーションとアセンブリに関する専門知識にあります。優れた組み込み型モーションベンダーは、長年にわたり困難な位置決め問題を解決してきた経験と、個々のタスクに合わせてカスタマイズ可能な実績のあるモーション構成要素を豊富に取り揃えています。また、ステージのダイナミクス、モーション制御アーキテクチャ、動作環境が位置決め要件にどのように影響するかを深く理解しています。

組み立てに関しては、多くの機械メーカーは、最も精密な多軸ステージの位置合わせに必要な熟練技術者、特殊な治具、レーザー干渉計、その他の計測システムを欠いている。これらの多軸ステージは、軸間の位置合わせ公差がミクロン単位で測定されることが多い。

制御に関する専門知識

組み込みモーションシステムには、顧客の要件に応じてモーションコントロールが付属する場合と付属しない場合があります。しかし、制御戦略は常に組み込みモーションシステムの設計において重要な要素となるべきです。優れた組み込みモーションベンダーは、さまざまなモーションコントロールプラットフォームとその運動学的機能が機械式モーションシステムとどのように相互作用するかについて、幅広い知識を有しています。この知識によって、許容可能な慣性ミスマッチ比など、動的性能の限界を押し広げることが可能になります。

信頼性

新しいモーションシステムを導入する際、最もよくある問題のいくつかは、一見些細に見える個々のコンポーネントが正しく動作しない、あるいはコンポーネント同士がうまく連携しないことが原因で発生します。例えば、コネクタの不具合や配線の間違いが、たとえ最高品質のモーションステージであっても動作不能にしてしまうことがあります。組み込み型モーションシステムは、生産機械に組み込む前にシステムとして組み立て、テストを行うため、このような不具合を回避できます。個々のコンポーネントで構成されるモーションシステムでは、小さな不具合や互換性の問題が、生産機械が組み立てられるまで見過ごされてしまう可能性があります。

コスト削減

組み込み型モーションシステムは、一般的に部品ベースのシステムに比べて25～50%コストが低く抑えられます。このコスト削減の一因は、ブラケット、コネクタ、その他の部品を設計段階で組み込むことで部品点数を削減できることにあります。モーションシステムの構築と設置に伴うあらゆる隠れたコスト要素を考慮に入れると、コスト削減率は50%をはるかに超える可能性があります。これらのコストには、設計エンジニアリング、在庫、市場投入までの時間などが含まれます。

組み込みモーション制御は、様々な種類のアプリケーションにメリットをもたらします。当社はこのアプローチを、半導体製造装置、ウェットベンチ装置、レーザー切断装置、パッケージング装置、ラボオートメーション装置など、数十種類の機器に実装してきました。

モーションシステムの隠れたコスト

コンポーネントベースのモーションシステムには、組み込み型モーション方式によって排除できる多くの隠れたコストが存在します。例えば、以下のようなものがあります。

1. 市場投入までの時間コスト。組み込みモーションシステムは、本質的に同時並行エンジニアリングをサポートするため、複雑な機械の開発期間を数週間、場合によっては数か月短縮できます。
2. プログラム、生産、資材管理コスト。組み込みモーションシステムは単一の部品表項目として出荷されるため、発注、在庫管理、組み立てが必要な部品が数百個も不要になります。
3. 製造コスト。精密な動作システムには、熟練した組立技術者と特殊な製造設備が必要であり、稼働率が低い場合はコスト面での正当性を確保するのが難しい場合がある。
4. 保証と故障コスト。優れた組み込みモーションベンダーは、システムの故障に対して保証を提供し、自社製品に責任を持つことで、OEMのリスクを軽減します。

この非従来型のCNCマシンは、理想的な組み込みモーションアプリケーションの特徴をすべて備えています。必要な要件は以下のとおりです。

1. 制御技術と機械技術の両方の専門知識。機械システムと、極座標運動の複雑な運動学を支える制御装置や増幅器を統合するには、システム全体のアプローチと数ヶ月にわたるテストが必要でした。また、この新しいCNCシステムを構築するために、一連のアライメント技術とツールを開発する必要もありました。

2. コンパクトなデザインで、簡単に組み込めます。このデスクトップサイズのCNCマシンでは、スペースが限られていました。サーボモジュールRotaryの設計は、大きな貫通穴を備えているため、限られたスペースを効率的に活用することができました。100mmの貫通穴のおかげで、エア供給をスピンドルに直接引き込み、ワークピース側に材料インデクサを埋め込み、必要な電源接続をすべて行うことができました。

3. コスト抑​​制。この組み込みモーションシステムの興味深い点のひとつは、必要以上に複雑になっていないことです。主な機能要件は表面仕上げであり、位置決め精度ではありませんでした。実際、位置決めに関する要求は、少なくとも当社の基準からすると、かなり控えめなものでした。そのため、直接読み取り式エンコーダを省略し、システム全体をオープンループモードで動作させることができました。これにより、お客様は機械1台あたり数千ドルのコスト削減を実現できました。

組み込みモーション入門

部品ごとのモーションシステムから組み込み型モーションシステムへの移行は、大きな賭けのように思えるかもしれません。結局のところ、モーション制御を外部ベンダーに委託することになるからです。

しかし、適切なベンダーを選べば、アウトソーシングによって性能と信頼性が向上し、大きなメリットが得られます。モーションサブシステムは、完全にテストされ、保証付きで、すぐに機械に組み込める状態で工場に届くため、コストも削減できます。