電子、光学、コンピュータ、検査、オートメーション、およびレーザー業界では、さまざまな位置決めシステム仕様が必要です。すべての人に適した 1 つのシステムはありません。

高精度位置決めシステムが最適に動作することを保証するには、システムを構成するコンポーネント (ベアリング、位置測定システム、モーターおよび駆動システム、コントローラー) がすべて連携して動作し、アプリケーションの基準を可能な限り満たす必要があります。 。

ベース＆ベアリング

最適なシステム構成を決定するには、まずシステムの機械部分を考慮します。リニア ステージの場合、ベースとベアリングの設計には次の 4 つの一般的な選択肢があります。
• ボルトンボールベアリングウェイを備えたアルミニウムベースとスライド。
• アルミニウムまたはスチールのベースと、スチール レール上の 4 つの再循環ローラー ベアリング ブロックを備えたアルミニウムまたはスチールの側面。
• 一体型ローラーベアリングウェイを備えたミーハナイト鋳鉄ベースとスライド。
• 花崗岩または鋳鉄のスライドおよびエアベアリングを備えた花崗岩ガイド。

アルミニウムはミーハナイトやスチールよりも軽いですが、剛性が低く、安定性が低く、衝撃に耐えられず、応力耐性も劣ります。さらに、アルミニウムは温度変化に非常に敏感です。鋳鉄はアルミニウムよりも 150% 硬く、振動減衰性が 300% 優れています。鋼は耐久性があり、鉄よりも強いです。ただし、リンギングが長引くため、高速移動やセトリング時間に悪影響を及ぼします。

エアベアリングを備えた花崗岩のガイドは、最も剛性が高く耐久性のある組み合わせを提供します。花崗岩は、サブミクロン範囲の平坦度と真直度を得るために研磨できます。花崗岩テーブルの欠点は、花崗岩の質量により、鋼鉄または鉄ベースの位置決めシステムよりも空間エンベロープが大きくなり、重量が重くなることです。ただし、ベアリングと花崗岩のガイド表面の間には接触がないため、磨耗はなく、エアベアリングはほぼ自浄作用があります。また、御影石は振動減衰特性や熱安定性に優れています。

さらに、テーブル自体のデザインもテーブルの全体的なパフォーマンスにおいて重要です。テーブルには、多くの部品をボルトで固定するユニットから、単純な鋳造ベースやスライドまで、さまざまな構成があります。一般に、テーブル全体で 1 つの材料を使用すると、温度変化に対する応答がより均一になり、システムの精度が向上します。リブなどの機能によりダンピング効果があり、素早いヘタリを可能にします。

一体型ウェイはボルトオンウェイに比べて、長期間使用した後でも予圧の調整が必要ないという利点があります。

クロスローラーベアリングはころと軌道面が線接触ですが、ボールベアリングはボールと軌道面が点接触します。これにより、一般にローラー ベアリングの動きがよりスムーズになります。転動面全体の表面変形 (および摩耗) が少なく、接触面積が大きいため、荷重がより均等に分散されます。ローラーあたり最大 4.5 ～ 14 kg の荷重が標準であり、約 150 ～ 300 ニュートン/ミクロンの高い機械的剛性を備えています。欠点としては、線接触による固有の摩擦が挙げられます。

ただし、接触面積が小さいため、ボール ベアリングの摩擦が制限され、負荷容量も制限されます。ローラーベアリングは一般にボールベアリングよりも長寿命です。ただし、ローラーベアリングは高価です。

あるメーカーのテーブルの標準サイズは、長さ 25 ～ 1,800 mm、スライド幅 100 ～ 600 mm です。

エア ベアリング構成は、対向するエア ベアリングまたはガイド部材に埋め込まれた強力な希土類磁石によって予荷重が加えられたリフト ベアリングとガイド ベアリングで構成されます。この非接触設計により、他のベアリング設計の摩擦が回避されます。また、エアベアリングには機械的磨耗がありません。さらに、エアベアリングの間隔を広くとることができます。したがって、結果として生じる幾何学的誤差は平均化され、200 mm にわたって 1 秒未満の円弧の角度偏差と 0.25 ミクロンより良好な真直度が生成されます。

数値は多くの要因に依存するため、提供するのが困難です。たとえば、位置決め精度はベアリングやガイドだけでなく、位置測定システムやコントローラにも依存します。位置決めシステムの摩擦は、選択した駆動システムだけでなく、ベアリングの調整、テーブルのシール、潤滑などにも依存します。したがって、達成できる正確な値はすべてのコンポーネントの組み合わせに大きく依存し、さらにアプリケーションに依存します。

駆動方式

ベルト、ラックアンドピニオン、親ネジ、精密研削ボールネジ、リニアモーターなど、多くの種類の駆動システムのうち、ほとんどの高精度位置決めシステムで考慮されるのは最後の 2 つだけです。

ボールねじドライブにはさまざまな分解能、精度、剛性特性があり、高速 (250 mm/秒以上) を提供できます。ただし、ボールねじドライブはねじの臨界回転速度によって制限されるため、速度を上げるにはピッチを低くする必要があり、機械的利点が少なく、高出力のモーターが必要になります。これは通常、より高いバス電圧を備えた高出力モータードライブに変更することを意味します。ボールねじドライブは広く使用されていますが、機械的なバックラッシュ、ワインドアップ、ピッチ周期誤差、および摩擦も発生する可能性があります。また、モーターとドライブを結合する機械的カップリングの剛性も見落とされています。

リニア サーボ モーターでは、機械的な接続なしで、電磁力が移動質量に直接作用します。機械的なヒステリシスやピッチ周期誤差はありません。精度はベアリング システムとフィードバック制御システムに完全に依存します。

動的剛性は、サーボ システムが衝撃荷重に応じて位置をどの程度維持できるかを示します。一般に、帯域幅が大きくゲインが大きいほど、動的剛性が高くなります。これは、測定された衝撃荷重をたわみ距離で割ることによって定量化できます。

動的剛性 = ΔF/ΔX

高い剛性と高い固有振動数により、整定時間が短く、優れたサーボ動作が実現します。モーターとスライドの間に機械的な連動がないため、スライドは位置コマンドの変化に素早く反応します。また、ボールねじの「リンギング」がないため、高速な移動時間と整定時間を実現できます。

ブラシレス リニア モーターは、機械ベースに固定された永久磁石アセンブリと、スライドに固定されたコイル アセンブリで構成されます。コイルアセンブリと磁石の間には約 0.5 mm のギャップが維持されます。 2 つのアセンブリ間には物理的な接触はありません。

可動コイル アセンブリのコアには、一連の重なり合って絶縁された銅コイルが収容されています。これらは、三相動作用に精密に巻かれ、ピッチングされています。電子整流には一連のホール効果センサーが使用されます。整流電子回路の設計により、力のリップルが無視できる動作が提供されます。整流は機械的ではなく電子的であるため、整流アーク放電は発生しません。

これらの特性により、リニア サーボモータは、高加速 (たとえば 2.5 m/sec2 以上)、高速 (たとえば 2 m/sec 以上)、または非常に低速 (たとえば わずか数 mm) であっても正確な速度制御を必要とするアプリケーションに役立ちます。 /秒）。さらに、このようなモータは潤滑やその他のメンテナンスを必要とせず、磨耗もありません。他のモーターと同様に、熱放散のため、連続力または電流の実効値が長期間にわたって許容値を超えてはなりません。

25 N から 5,000 N 以上の連続駆動力のリニア サーボモーターを入手できます。ほとんどの大型モーターには空冷または水冷が付いています。複数のリニアモーターを並列または直列に接続して、より高い駆動力を得ることができます。

モーターとスライドの間に機械的な連動がないため、ボールネジのような機械的な減速がありません。負荷は 1:1 の比率でモーターに伝達されます。ボールねじ駆動では、モータに対するスライドの負荷慣性が減速比の2乗で低減されます。このため、効果的なサーボ補償を得るために、さまざまな負荷に対応するさまざまなモータ制御パラメータのセットをプログラムできるコントローラを選択しない限り、リニア モータ ドライブは負荷が頻繁に変化するアプリケーションにはあまり適していません。

多くの垂直用途では、ボールねじの方が簡単でコスト効率が高くなります。重力を相殺するためにリニア モーターに継続的に電力を供給する必要があります。また、電気機械ブレーキは、電源がオフのときにテーブルの位置をロックできます。ただし、モーターと負荷重量をスプリング、カウンターウェイト、またはエアシリンダーでオフセットする場合は、リニアモーターを使用できます。

イニシャルコストは、リニアモータ駆動と、モータ、カップリング、ベアリング、ベアリングブロック、ボールねじを含むボールねじ駆動とでほとんど変わりません。一般に、ブラシ タイプのリニア モーターはボール ネジ ドライブよりわずかに安価で、ブラシレス バージョンは通常若干高価です。

初期費用以外にも考慮すべき点はあります。より現実的な比較には、メンテナンス、信頼性、耐久性、人件費を含む交換コストが含まれます。ここではリニアモーターがよく現れています。

パート 2 では、位置測定システムについて説明します。