精密な動作に非常に重要な一連の設計要素の 5 つのリンクを確認します。

直線運動システムの強度は、一連の機械要素および電気機械要素の中で最も妥協するリンクと同じくらいです。各コンポーネントと機能 (およびその設計出力への影響) を理解すると、意思決定が改善され、最終設計がアプリケーションの要求を完全に満たす可能性が高まります。結局のところ、システムのバックラッシュ、精度、その他の性能側面は、親ねじ、バックラッシュ防止ナット、カップリング、モーター、制御戦略の設計と製造の要素に遡ることができます。

設計のすべてのリンクに関する専門知識を持つ直線運動サプライヤーと協力することが、最高の設計パフォーマンスを得る最善の方法です。最終的に、最適化されたモーション コントロール システムは、すべての要素がバランスよくバランスされた高性能スポーツ カーのようなものです。適切なサイズのモーター + 適切なトランスミッション + 適切なタイヤ + 優れた制御機能 (アンチロック ブレーキやトラクション コントロールなど) = 優れたものになります。パフォーマンス。

最高のパフォーマンスを必要とする設計の例をいくつか考えてみましょう。一部のタイプの 3D プリンティングでは、レイヤーの解像度がレイヤーごとに 10 μm まで低く抑えられています。医療機器では、調剤ユニットが救命薬を出力し、マイクロリットルまで投与量を制御する必要があります。同様の厳しい精度は、光学機器や走査機器、半導体産業のチップやウェーハの処理機器、ラボオートメーション分野でも見られます。

コンポーネントの選択と統合に対する総合的なアプローチで構築されたリニアモーション設計のみが、これらのますます高度なパフォーマンス要件を満たすことができます。多くの場合、これらのビルドに最も適したソリューションは、適切な制御アーキテクチャを備えたモーター駆動のネジとナットです。そこで、このタイプのリニア アセンブリにおける各リンクの重要な考慮事項とパフォーマンス特性を検討してみましょう。

リンク 1: 親ネジとナットの品質

親ねじは、さまざまなナットの設計と材質を備えたさまざまな形で数十年にわたって存在してきました。その間、親ねじの製造に使用される機械はほとんどの場合手動で調整され、品質は機械の能力とオペレーターのスキル レベルに制限されていました。現在でもほとんどのメーカーがこのタイプの装置を使用していますが、最新の自動化プロセスにより親ねじの品質が次のレベルに引き上げられています。

たとえば、このような操作では、CNC 制御の送り込み、スキュー調整、ロールねじ切りプロセスの圧力制御を使用して、最も一貫した親ねじのねじ山形状を生成します。これらのリードスクリューの表面仕上げは一貫して滑らかで、ポリマーナットで裂ける可能性のある表面摩耗がなく、前例のないシステム精度と寿命を実現します。

同時に、親ねじのねじ山の形状を追跡する高度な計測技術と検査技術により、従来の手動方法よりも最大 3 倍優れたポイントツーポイントのリード精度が得られます。これにより、ネジの長さ全体にわたってリード精度が 0.003 インチ/フィートまで一貫して維持されます。

軸に沿って物体を点から点へと移動させる搬送タイプのアプリケーションの場合は、300 mm または 6 インチごとにリード精度をチェックする従来の方法で十分です。ただし、最高精度のアプリケーションでは、各シャフトのねじ山の精度が重要になります。適切なねじの形状からの逸脱は、ねじの酔いとして知られています。

新しい自動化された CNC 製造装置、プロセス、および詳細な検査方法により、より厳格な管理と品質が実現され、個々のスレッド内の高点と低点の副回転精度が大幅に向上しました。つまり、酔いが軽減されました。これにより、リードスクリューは 1 回転での位置再現性を 1 µm に保つことができます。これは、半導体産業向けの高価なウェーハやチップの処理や、シリンジ ポンプでの薬剤の正確な分注などのアプリケーションにおいて、特に重要な性能指標です。

先進的なねじサプライヤーは、ねじ転造後、自動化されたねじ軸を矯正して、振動、騒音、早期摩耗の原因となる誤差や振れを最小限に抑えます。ねじ軸の真直度は、モータと組み付けるときに誤差が大きくなるため、非常に重要です。対照的に、従来の（手動）スクリュー矯正方法では、スクリュー シャフトの形状にスノー コーン効果が発生します。これは、シャフトの長軸の周りを螺旋状に回転する単一のアーチまたは複数のアーチの形で発生します。この場合も、自動矯正と検査によりこれらの誤差が排除され、安定したネジ性能が得られます。

親ねじ製造の最終ステップは、PTFE コーティングの塗布です。一貫して滑らかな仕上げだけが長寿命とシステムパフォーマンスを実現します。 PTFE の塗布が一貫していない (コーティング環境や装置が最適ではないことに起因する) と、孔食、亀裂、気泡、剥離、表面粗さが発生し、ナットの早期摩耗や組立寿命の短縮を引き起こす可能性があります。

リンク 2: ナットとネジの相互作用

従来のアンチバックラッシュナットはマルチピース設計を使用しており、フィンガーを閉じてネジとナットの間のフィット感を制御するためにナットに沿ってコレットを直線的に移動させるコイルスプリングが必要です。

これらの設計での故障の原因となる問題は、ばねの力が散発的で変動すること、ナット上のコレットのスティックスリップ、ナットの材質が摩耗するにつれて圧力が変動することです。対照的に、一定の力を伝達するように設計された代替ナットの 1 つは、ナットとネジの間のクリアランスや遊びを制御するために必要な方向である放射状にナット フィンガーに圧力を加える、単純化された 2 ピース設計です。

バックラッシュ防止親ねじナット用の従来のコイル スプリングとコレットの設計を考えてみましょう。ここでは、可変力コイル スプリングが軸方向の力を生成し、この軸方向の力が機械的干渉を通じて半径方向の力に変換されます。この設計は、フィンガーに均等に力を加える射出成形コンポーネントに依存しています。ベンチマーク テストでは、最初の 1,000 サイクルでプリロードが劇的に変化することが確認されています。

対照的に、特定の定力アンチバックラッシュ親ねじナットは、ラボオートメーション顧客の FDA テストで検証されたように、従来の設計よりも 2 ～ 4 倍優れたバックラッシュ性能を提供します。定荷重スプリング設計により、軸の寿命にわたって一貫した予荷重が保証されます。 PTFE を使用した自己潤滑性ナット素材により潤滑性が向上し、効率が向上します。

定力アンチバックラッシュ親ねじナットの最大の利点の 1 つは、スプリングやその他のパラメーターを調整して用途に合わせて調整できることです。このチューニングにより、プリロード、バックラッシュ、ドラグ力、ランニングクリアランスを最適化し、要求されるスペックを満たします。各ネジとナットの組み合わせ、および各フルアップ モーターとネジ アセンブリは、検証と最終検査中にこれらの性能特性のそれぞれについてテストできます。

リンク 3: ドライブへの結合または直接接続

チェーンの次のリンクは、ネジがモーターにどのように取り付けられるかです。これを実現するには 3 つの基本的な方法があります。

1 つ目は、ネジと延長スタッド シャフトを備えたモーターの間のコンポーネントとしてカプラーをアセンブリに導入する最も伝統的な方法です。この設計では、カプラーと関連する取り付けハウジングの長さのためにより多くのスペースが必要であり、また、調整の問題が発生する可能性があります。コンポーネントの数が増えると、すべてを中心線上に保つことがさらに難しくなります。 1 つ以上のコンポーネントが真円でなかったり、位置がずれていると、カムタイプの影響が生じ、システムの性能と寿命に大きな影響を与える可能性があります。

2 番目の方法では、ネジをテーパ状の穴に挿入し、ボルトで (背面から) 所定の位置に機械的に固定します。このような組み立ては、頻繁なメンテナンスが必要なモーターでは一般的であり、分解と再組み立てを迅速に行う方法が必要です。欠点は、位置合わせを保持するのが難しく、ねじの長さ全体にわたって不正確さが増幅する雪かき効果を引き起こす可能性があることです。さらに、このスノーコーンのスクリューのぐらつきにより摩耗点が生じ、メンテナンスの必要性やシステムの早期故障が発生する可能性があります。

3 番目の方法は、モーター内の中空シャフトにネジを直接取り付け、モーターの背面にレーザー溶接でネジを固定する方法です。この方法により、ネジとモーターの嵌合が最大限に確保され、可能な限り最高の精度の位置合わせが可能になります。場合によっては、溶接部分を工業用接着剤に置き換えて、ネジとモーターの間に永久的な接着を形成することもあります。また、この組み立て方法は、ネジの振れを最小限に抑えることで最高レベルの精度を提供し、その結果寿命が延長され、メンテナンスの必要性が最小限に抑えられます。

親ネジ、ナット、カップリングの位置合わせを最適化することで、システム全体の寿命が延びます。システム内の他の要素と比較するためのベースラインとして、さまざまなリードを使用してさまざまな方向で、さまざまな負荷と速度でテストします。その結果、標準L10軸受寿命を40倍上回る走行寿命を示しました。

言い換えれば、従来のモーターと親ネジのセットアップには、組み立てが必要で位置合わせが難しい複数のコンポーネントが含まれています。遊びや公差の積み重ねが生じ、精度が低下し、故障の可能性が高まります。部品点数が多いと、全体の組み立てコストも高くなります。しかし、統合されたハイブリッド リニア アクチュエータのセットアップには、モーターと位置合わせして直接固定された親ネジが含まれており、部品点数が少なくなります。これにより、全体的な設計価値だけでなく、剛性、精度、信頼性も向上します。

リンク 4: モーターの種類と設計の選択

リニア アクチュエーターにはモーター オプションの選択肢があり、最も一般的なモーターの選択肢は、開ループ ステッパー、ボードに取り付けられた制御または産業用にケースに入れられたスマート ステッパーを使用する閉ループ バージョン、そして最後にブラシレス DC (bldc) モーターです。それぞれに独自のパフォーマンス提案や速度と負荷機能があり、コスト、統合、制御などに関して独自の長所と短所もあります。これについては後ほど説明します。

モーターの直線運動性能に最も大きな影響を与えるには、モーターの内部設計を確認する必要があります。一般的な汎用モーターは、ベアリングとアセンブリを所定の位置に保持するために波形ワッシャーを使用します。これは通常、回転アプリケーションには適切ですが、多くの場合、リニアアプリケーションにも同様に適用できます。ただし、波状ワッシャーはモーター内にある程度のコンプライアンスをもたらし、線形位置の不正確さにつながる少量の軸方向または線形の遊びを促進する可能性があります。

これを軽減するために、2 つの要素の一方または両方を設計で変更できます。より大きなベアリングを挿入してアセンブリのスラスト荷重能力を高めることができ、スパナ ナットを追加して所定のトルク仕様に調整してシステムの遊びを取り除くことができます。

リンク 5: 制御オプションの選択

すべての要素をまとめる最後のリンクは、物理的な直線運動をどのように指示し制御するかです。従来、これにはアンプやコントローラーなど複数の個別の部品が必要でした。それぞれにキャビネットと、関連するハードウェア、配線、エンコーダー、フィードバック用のセンサーが必要です。これらのセットアップは、インストール、トラブルシューティング、および操作が複雑で面倒になる場合があります。

既製のスマート モーター ソリューションの出現により、配線が簡素化され、ステップ サーボ タイプの性能と制御の獲得に関連するコネクタとセンサーの数が削減されました。これにより、コンポーネント数が減り、設置にかかる時間と労力も削減されるため、コストが削減されます。これらのモーターは、IP65 または IP67 の定格で基板と制御を乱用や汚染から密封して保護する、組み立て済みの工業化パッケージでも提供されます。

アプリケーションで特定のカスタマイズ機能が必要な場合、スペースとサイズの考慮事項が最小限に抑えられている場合、または低コストが重要な要因である場合、カプセル化されていないカスタム IP20 モーター搭載ボード コントロールが便利なオプションです。これは、様式化された筐体または機器内に配置される大容量アプリケーションに特に当てはまります。このようなアクチュエータは、スマート モータの利点をもたらし (通常、大幅なコスト削減で)、制御はモータで直接行われるため、マスターまたは PLC との通信がより簡単かつ高速になります。