この記事では、構造支持システム、ガイド技術、駆動技術とシーリング、潤滑、付属品など、リニアシステム設計の基礎を解説します。まず、リードスクリュー駆動、ボールスクリュー駆動、ベルト駆動、ボールガイド、スライドガイド、ホイールガイドといった様々な技術の長所と短所について解説します。次に、独自のリニアシステムを設計・構築する場合と、標準の構成要素からシステムを構成する場合の長所と短所を比較検討します。最後に、経済的な標準コンポーネントに基づいてリニアシステムのサイジングと選定を行うための、Webベースの手順を段階的に説明します。

リニアシステムの構成要素は、構造支持システム、駆動システム、ガイドシステム、シーリング、潤滑システム、およびアクセサリです。構造支持システムの主要部品は通常、最大12メートルの長さのアルミニウム押出成形品です。ベースの取り付け面は、正確な位置決めが求められる用途向けに機械加工が可能です。精度の低い搬送用途向けのベース押出成形品は通常、機械加工されません。搬送用途で使用されるベースは、荷重下での曲げや押出成形時の歪みに対する耐性が最適化されており、システムを両端のみで支持することができます。

ガイドの主なタイプは、ボールガイド、ホイールガイド、スライドまたはプリズムガイドです。ボールガイドは、最大 38,000 ニュートン (N) の高ペイロードと、最大 27.60 ニュートンメートル (Nm) の高モーメント荷重をサポートします。ボールガイドのその他の利点として、低摩擦および高剛性が挙げられます。ボールガイドは、シングルレール構成またはデュアルレール構成で利用できます。ボールガイドの弱点は、比較的コストが高く、騒音レベルが高いことです。ホイールガイドの主な利点は、最大 10 メートル/秒 (m/s) の非常に高速で動作できることです。ホイールガイドは、低摩擦および非常に高い剛性も提供します。その一方で、ホイールガイドは衝撃荷重に対する耐性が比較的低いです。スライドガイドは、プロファイル表面で直接動作するプリズム形状のポリマーブッシングを使用して、非常に静かな動作を実現し、高い衝撃荷重に耐えます。スライドガイドの主な利点は、汚染された環境で動作できることです。

最も一般的な駆動技術は、ボールねじ駆動、リードスクリュー駆動、ベルト駆動です。ボールねじ駆動は、ボールねじと、循環ボールベアリングを備えたボールナットで構成されています。研磨され予圧されたボールねじは、非常に高い位置決め精度を提供します。ボールねじの荷重は多数のボールベアリングに分散されるため、各ボールにかかる荷重は比較的小さくなります。その結果、0.005 mmの高い絶対精度、最大40 KNの高い推力容量、そして高い剛性が得られます。絶対精度は、期待位置と実際の位置との間の最大誤差として定義されます。ボールねじ駆動は通常90%の機械効率を提供するため、その高いコストは多くの場合、低い電力要件によって相殺されます。ボールねじの臨界速度は、ねじの谷径、支持されていない長さ、および端部支持の構成によって決まります。ボールねじ支持は、最大12 mのストロークと3,000 rpmの入力速度までのねじ駆動ユニットの使用を可能にします。リードスクリュー駆動は、ボールねじ駆動の絶対位置決め精度には及ばないものの、0.005 mmという優れた再現性を提供します。再現性は、同じ方向から同じ速度と減速率で接近した場合に、動作中に位置決めシステムが特定の位置に戻る能力と定義されます。リードスクリュードライブは、低～中デューティサイクルの位置決めアプリケーションで使用され、低騒音で動作します。ベルトドライブは、最大速度 10 m/s、最大加速度 40 m/s2 の高速、高スループットの搬送アプリケーションで使用されます。ガイドシステムと駆動システムの両方に通常、潤滑が必要です。潤滑フィッティングに簡単にアクセスできると、予防保守が簡単になります。効果的な方法の 1 つは、キャリッジに Zerk フィッティングを使用することです。このフィッティングは、設置時および定期的な保守間隔で、ボールねじとリニアベアリングシステムの両方に潤滑油を供給するネットワークに供給します。プリズムガイドシステムはメンテナンスフリーです。ポリマー本来の潤滑性に加えて、ストロークごとに潤滑剤を補充する潤滑フェルトワイパーが付いています。シーリング技術は多くの用途で重要です。磁気ストリップシールは、張力を維持するためにスプリング式になっているステンレス鋼の磁気バンドで構成されています。両端はシステムのエンドプレートに固定され、カバーバンドまたはシーリングストリップはキャリッジの空洞を通って配線されます。キャリッジがシステム全体を移動する際、ストリップは磁石から持ち上げられ、キャリッジが通過できるようになります。

代替のシーリング技術であるプラスチック カバー バンドは、ベース押し出しと連動する柔軟なゴム ストリップを使用しており、ジップロック バッグのような役割を果たします。かみ合った「舌と溝」プロファイルによりラビリンス シールが形成され、微粒子の侵入を非常に効果的に防ぎます。柔軟なモーター マウントにより、自動化アセンブリへのリニア システムの統合が簡素化されます。ユーザーは、標準の NEMA モーター マウントを要求するか、モーターに固有の取り付け情報を提供するか、モーターの製造元の名前と部品番号を提供するだけで済みます。ハウジングとカップリングは、一般的なブランクから機械加工され、お客様のモーターの主な特性、つまりモーター フランジのボルト サイズとボルト円直径、モーター パイロット直径、モーター シャフトの直径と長さに合わせます。これにより、ほぼすべてのモーターにスライドを簡単に水平、垂直、傾斜、逆さまに取り付けることができ、位置合わせが保証されます。

すべての駆動方式とガイド方式の組み合わせが理にかなっているわけではありません。実際のアプリケーションで使用される7つの技術グループには、リードスクリュー駆動とボールガイド、リードスクリュー駆動とスライドガイド、ボールスクリュー駆動とボールガイド、ボールスクリュー駆動とスライドガイド、ベルト駆動とボールガイド、ベルト駆動とスライドガイド、ベルト駆動とホイールガイドが含まれます。スパイダーダイアグラムは、これらの各技術の相対的な長所と短所を示しています。ボールスクリュー駆動とボールガイドの技術は、高い再現性、高い剛性、そして大きな力とモーメントへの対応能力を備えています。これは、工作機械でギアブランクをロード/アンロードするリニアシステムなど、高荷重と高デューティサイクルを伴う精密位置決めアプリケーションに使用されます。ベルト駆動のボールガイドユニットは、重いペイロードと高いモーメント荷重を伴う高速・加速アプリケーション向けに設計されています。この技術グループは、ギャップを跨ぎ、端部または断続的に支持されるアプリケーションに適しています。代表的なアプリケーションとしては、缶詰のパレタイズが挙げられます。ベルト駆動のスライドガイド式リニアシステムは、中程度の速度と加速能力を提供します。スライドガイドは衝撃荷重に対応できますが、直線速度には若干の制限があります。この組み合わせにより、コスト効率が高く、低騒音で、メンテナンスの手間も少ないソリューションが実現します。磁気カバーバンドを追加することで、板金スプレー処理など、粒子状物質が多く、洗浄が必要な環境に最適なソリューションとなります。ベルト駆動のホイールガイド式ユニットは、高い直線速度と加速性能に加え、適度なコスト、低騒音、比較的低いメンテナンス要件を備えています。代表的な用途としては、包装機や充填機が挙げられます。

自社開発か購入か？リニアシステムを自社開発するか購入するかを検討する際には、リニアシステムの設計に必要なエンジニアリング時間と専門知識を考慮することが重要です。システム設計には、リニアベアリングとラジアルベアリングの寿命、ボールねじの寿命、ボールねじの臨界速度、支持プロファイルのたわみ、潤滑剤の選択、カバー設計などのエンジニアリング計算が含まれます。設計時間を短縮するためにリニアシステムを大型化するアプローチには、コストとエンベロープが増大し、基本的な見落としがないことを確認するための基本的なエンジニアリングが依然として必要になるという欠点があります。リニアシステムを購入する際、標準カタログ製品がアプリケーションの要件を満たさない場合があります。このような場合、標準製品に大幅な変更を加えるか、ホワイトシート設計を行うことが現実的な代替手段となります。幅広い製品とエンジニアリング能力を備えたパートナーは、お客様と協力して問題解決に取り組み、時間とコストを節約し、開発サイクルを加速します。