「LOSTPED」はどのように役立つのでしょうか?

梱包や材料処理から半導体製造や自動車の組み立てまで、事実上すべての製造プロセスに何らかの直線運動が組み込まれており、製造業者がモジュラー直線運動システムの柔軟性とシンプルさに慣れてくるにつれて、1 軸、2 軸、または完全な 3 軸直交ロボット システムなど、これらのシステムが製造分野に浸透しつつあります。

エンジニアや設計者がリニアモーションシステムのサイジングや選定を行う際に陥りがちなミスの一つは、最終システムにおける重要なアプリケーション要件を見落としてしまうことです。これは最悪の場合、コストのかかる再設計や手直しにつながるだけでなく、過剰な設計によって、期待よりもコストがかさみ、効率も低下してしまうシステムになってしまうことも少なくありません。リニアモーションシステムの設計は、多くの解決策が考えられるため、容易に圧倒されてしまうことがあります。システムはどの程度の負荷に対応できる必要があるのでしょうか？どの程度の速度で動作する必要があるのでしょうか？最も費用対効果の高い設計とはどのようなものでしょうか？

Bosch Rexroth のリニアモーションおよびアセンブリテクノロジーグループは、これらすべての質問とその他の質問を考慮して、「LOSTPED」を開発しました。これは、エンジニアや設計者が特定のアプリケーションで適切なリニアモーションコンポーネントまたはモジュールを指定するために必要な情報を収集できるようにするためのシンプルな頭字語です。

LOSTPED とは何ですか?

LOSTPEDは、荷重（Load）、方向（Orientation）、速度（Speed）、移動距離（Travel）、精度（Precision）、環境（Environment）、デューティサイクル（Duty cycle）の頭文字です。LOSTPEDの各文字は、リニアモーションシステムのサイジングと選定において考慮すべき要素を表しています。例えば、荷重は、加速時と減速時では、等速移動時とは異なる負荷をベアリングシステムに課します。リニアモーションソリューションが個々のコンポーネントから完全なリニアモジュールや直交座標系へと移行するにつれて、システムコンポーネント（リニアベアリングガイドとボールねじ、ベルト、リニアモータードライブなど）間の相互作用はより複雑になり、適切なシステムの設計はより困難になっています。LOSTPEDの頭文字は、システム開発と仕様策定において相互に関連するすべての要素を考慮するよう設計者に促すことで、ミスを回避するのに役立ちます。

LOSTPEDの使い方

以下では、各 LOSTPED 要因の説明と、直線運動システムのサイズを決定して選択するための基準を決定する際に尋ねる重要な質問を示します。

負荷

負荷とは、システムに加わる重量または力を指します。すべての直線運動システムは、マテリアルハンドリングアプリケーションにおける下向きの力、または掘削、プレス、ねじ締めアプリケーションにおけるスラスト荷重など、何らかの負荷を受けます。また、半導体ウェハハンドリングアプリケーションのように一定の負荷がかかるアプリケーションもあります。このアプリケーションでは、FOUP（Front-Opening Unified Pod）がベイからベイへと搬送され、ドロップオフとピックアップが行われます。3つ目のタイプは、負荷が変動するアプリケーションです。例えば、医療用ディスペンシングアプリケーションでは、試薬が一連のピペットに次々に注入され、各ステップで負荷が軽減されます。

荷重を考慮する際には、アームの先端にどのような種類のツールが取り付けられ、荷物をピックアップまたは運搬するかについても検討する価値があります。荷重とは直接関係ありませんが、ここでのミスは大きな損失につながる可能性があります。例えば、ピックアンドプレースアプリケーションで非常に繊細なワークピースをピックアップする場合、不適切なタイプのグリッパーを使用すると、ワークピースが損傷する可能性があります。

尋ねるべき重要な質問:

• 負荷の発生源は何ですか、またその方向はどのようになっていますか?
• 特別な取り扱い上の考慮事項はありますか?
• どの程度の重量または力を管理する必要がありますか?
• その力は下向きの力、揚力、または横方向の力ですか?

オリエンテーション

力が加えられる方向、つまり相対的な位置や方向も重要ですが、見落とされがちです。一部のリニアモジュールやアクチュエータは、モジュール設計にリニアガイドシステムを採用しているため、横方向の荷重よりも上向き／下向きの荷重を高く扱うことができます。また、異なるリニアガイドを採用したモジュールでは、全方向の同じ荷重を扱えます。

例えば、Rexroth Compact Module CKKは、ガイドにデュアルボールレールシステムを採用しており、側面荷重や軸方向荷重を必要とするアプリケーションで頻繁に使用されます。高品質なリニアモーションサプライヤーの多くは、様々な状況に対応できるモジュールやアクチュエータを製造しているため、指定されたモジュールが、アプリケーションで成功を収めるために必要な方向において、荷重要件に対応できることを確認することが重要です。

尋ねるべき重要な質問:

• リニアモジュールまたはアクチュエータの向きはどのようになっていますか?
• 水平ですか、垂直ですか、それとも逆さまですか?
• 線形モジュールに対する負荷の向きはどこでしょうか?
• 負荷によってリニアモジュールにロールモーメントまたはピッチモーメントが発生しますか?

スピード

速度と加速度も、リニアモーションシステムの選択に影響します。適用された荷重は、加速時および減速時にシステムに対して、一定速度での移動時よりも大きく異なる力を生成します。目的の速度またはサイクルタイムを満たすために必要な加速度は、必要な移動のタイプによって決まるため、移動プロファイルのタイプ（台形または三角形）も考慮する必要があります。台形移動プロファイルとは、荷重が急速に加速し、一定期間比較的一定の速度で移動した後、減速することを意味します。三角形移動プロファイルとは、ポイントツーポイントのピックアップおよびドロップオフアプリケーションのように、荷重が急速に加速および減速することを意味します。速度と加速度は、適切なリニアドライブ（通常はボールねじ、ベルト、またはリニアモーター）を決定する上でも重要な要素です。

尋ねるべき重要な質問:

• どのくらいの速度またはサイクル時間を達成する必要がありますか?
• 一定速度ですか、それとも可変速度ですか?
• 負荷は加速と減速にどのような影響を与えますか?
• 移動プロファイルは台形ですか、それとも三角形ですか?
• 速度と加速のニーズに最も適したリニアドライブはどれですか?

旅行

ストロークとは、動作距離または動作範囲を指します。ストローク距離だけでなく、オーバートラベルも考慮する必要があります。ストロークの終端に「安全ストローク」、つまり余裕を持たせることで、緊急停止時のシステムの安全性を確保できます。

尋ねるべき重要な質問:

• 距離（可動範囲）はどのくらいですか？
• 緊急停止時にはどの程度のオーバートラベルが必要になるでしょうか?

精度

精度は広義の用語であり、移動精度（システムがA地点からB地点へ移動する際の動作）や位置決め精度（システムが目標位置にどれだけ近づくか）のいずれかを定義するためによく使用されます。また、再現性を指す場合もあります。移動精度、位置決め精度、再現性という3つの用語の違いを理解することは、システムが性能仕様を満たし、不必要な高い精度を過剰に補正していないことを確認する上で非常に重要です。

精度要件を綿密に検討する必要がある主な理由は、駆動機構の選択です。ベルト駆動、ボールねじ、リニアモーターなど、様々な駆動方式があります。それぞれの駆動方式は、精度、速度、耐荷重性の間でトレードオフの関係があり、最適な選択は主にアプリケーションによって決まります。

尋ねるべき重要な質問:

• アプリケーションにおいて、移動精度、位置決め精度、再現性はどの程度重要ですか?
• 精度は速度やその他の LOSTPED 要因よりも重要ですか?

環境

環境とは、システムが動作することが想定される周囲の条件を指します。例えば、極端な温度はシステム内のプラスチック部品の性能や潤滑に影響を与える可能性があり、また、汚れ、液体、その他の汚染物質はベアリングのレースウェイや荷重支持部材に損傷を与える可能性があります。

これは見落とされがちな性能要因ですが、リニアモーションシステムの寿命に大きな影響を与える可能性があります。シーリングストリップや特殊コーティングなどのオプションは、これらの環境要因による損傷を防ぐのに役立ちます。さらに、特殊な潤滑剤や正圧などのオプションにより、モジュールまたはアクチュエータをクリーンルームでの使用に適したものにすることができます。

尋ねるべき重要な質問:

• どのような種類の危険物や汚染物質が存在しますか? (極端な温度、汚れ、ほこり、液体など)
• 逆に、リニアモーションシステム自体は、環境に対する汚染物質（ESD、潤滑剤、微粒子）の潜在的な発生源となるのでしょうか？

デューティサイクル

デューティサイクルとは、動作サイクルを完了するのにかかる時間です。すべてのリニアアクチュエータにおいて、最終的なシステムの寿命は一般的に内部部品によって決まります。例えば、モジュール内のベアリングの寿命は、適用される負荷と、ベアリングが受けるデューティサイクルに直接影響されます。リニアモーションシステムは前述の6つの要因を満たすことができるかもしれませんが、24時間365日連続稼働すると、1日8時間、週5日稼働する場合よりもはるかに早く故障します。使用時間と休止時間の長さは、リニアモーションシステム内部の熱蓄積に影響を与え、システム寿命と所有コストに直接影響します。これらの問題を事前に明確にしておくことで、ベルトなどの摩耗部品を簡単に交換用に在庫しておくことができるため、後で時間と手間を省くことができます。

尋ねるべき重要な質問:

• ストロークや動きの間の停止時間を含め、システムはどのくらいの頻度で使用されていますか?
• システムはどのくらいの期間持続する必要がありますか?

最後のアドバイス

LOSTPEDに加えて、設計者は信頼できる販売代理店やメーカーのアプリケーションエンジニアリング部門に相談するべきです。これらのリソースは通常、数百ものアプリケーションの経験を有しており、その多くは対象アプリケーションに類似しています。そのため、潜在的な問題を予測することで、大幅な時間節約とコスト削減につながる提案をしてくれる可能性があります。結局のところ、最終目標は、可能な限り低い所有コストで最良のリニアモーションシステムを実現することです。LOSTPEDに精通した熟練のアプリケーションエンジニアは、お客様がまさにそれを実現できるようサポートします。