リニアポジショニングシステムを設計するための3つのステップ

直交ロボットは、X、Y、Zの直交座標系に沿って2軸または3軸で動作します。スカラロボットや6軸ロボットの方が広く知られていますが、直交システムは半導体製造から木工機械まで、考えられるほぼすべての産業用途で使用されています。直交ロボットがこれほど広く導入されているのも当然です。直交ロボットは、一見無限とも思えるほど多様な構成で提供されており、アプリケーションのパラメータに合わせて簡単にカスタマイズできます。

従来、直交座標ロボットはインテグレーターやエンドユーザーによって社内で設計・製造されてきましたが、現在ではほとんどのリニアアクチュエータメーカーが、システムをゼロから構築する場合と比較して、エンジニアリング、組み立て、立ち上げにかかる時間を大幅に短縮できる、あらかじめ設計された直交座標ロボットを提供しています。あらかじめ設計された直交座標ロボットを選択する際には、アプリケーションに最適なシステムを確実に選択するために、以下の3つの点に留意してください。

【オリエンテーション】

向きは多くの場合、アプリケーションによって決まりますが、部品の取り扱いやプロセスの実施が上からか下からかが重要な要素となります。また、システムが他の固定部品や可動部品と干渉せず、安全上の危険をもたらさないことも重要です。幸いなことに、直交ロボットは、アプリケーションやスペースの制約に合わせて、様々なXYおよびXYZ構成で提供されています。標準的な多軸配置では、アクチュエータを垂直または横向きに設置するオプションもあります。この設計選択は通常、剛性を考慮して行われます。一部のアクチュエータ（特にデュアルガイドレールを備えたアクチュエータ）は、横向きに設置すると剛性が高くなるためです。

最も外側の軸 (XY 構成では Y 軸、または XYZ 構成では Z 軸) については、設計者はベースを固定してキャリッジを移動させるか、キャリッジを固定してベースを移動させるかを選択できます。キャリッジを固定してベースを移動する主な理由は干渉です。アクチュエータが作業領域に突出していて、他のシステムやプロセスが通過する間に移動する必要がある場合、ベースを移動することでアクチュエータの大部分を引っ込めてスペースを空けることができます。ただし、移動する質量と慣性が増加するため、ギアボックスとモーターのサイズを決定する際にはこれを考慮する必要があります。また、モーターが移動するため、ケーブル管理は軸とともに移動できるように設計する必要があります。プレエンジニアリングされたシステムではこれらの問題が考慮され、すべてのコンポーネントが直交座標系の正確な方向とレイアウトに合わせて適切に設計およびサイズ決定されます。

【荷重・ストローク・速度】

これら3つのアプリケーションパラメータは、ほとんどの直交ロボットの選定基準となります。アプリケーションによっては、特定の負荷を特定の距離、所定の時間内に移動させる必要があります。しかし、これらのパラメータは相互に依存しており、負荷が増加すると、最終的には最高速度が低下し始めます。また、ストロークは、最外郭アクチュエータがカンチレバー式の場合は負荷によって、ボールねじ駆動の場合は速度によって制限されます。そのため、直交ロボットシステムのサイジングは非常に複雑な作業となります。

設計とサイズ選定作業を簡素化するため、直交ロボットのメーカーは通常、指定されたストローク長と方向における最大荷重と速度を示すチャートや表を提供しています。しかし、メーカーによっては、最大荷重、ストローク、速度の性能をそれぞれ独立して記載している場合もあります。公開されている仕様が互いに排他的なものなのか、それとも最大荷重、速度、ストロークの仕様を同時に達成できるものなのかを理解することが重要です。

【精度と正確性】

リニアアクチュエータは、直交ロボットの精度と正確さの基盤です。アクチュエータの種類（ベースがアルミニウム製かスチール製か、駆動機構がベルト、ネジ、リニアモーター、空気圧式か）が、精度と再現性を決定づける主な要因となります。しかし、アクチュエータの取り付け方法と固定方法もロボットの移動精度に影響を与えます。組み立て時に精密に調整され、ピンで固定された直交ロボットは、一般的にピンで固定されていないシステムよりも移動精度が高く、その精度を製品寿命を通じて維持する能力も高くなります。

多軸システムでは、軸間の接続は完全に固定されているわけではなく、多くの変数が各軸の挙動に影響を与えます。そのため、移動精度と再現性を計算したり、数学的にモデル化したりすることが困難になります。直交座標系システムが必要な移動精度と再現性を満たしていることを確認するための最良の方法は、メーカーが同様の負荷、ストローク、速度でテスト済みのシステムを探すことです。ほとんどの直交座標系ロボットメーカーは、ユーザーにとってこれが重要な懸念事項であることを認識しており、様々な用途におけるパフォーマンスに関する「実世界」データを提供するためにシステムをテストしています。

プレエンジニアリングされた直交座標系ロボットは、社内で設計・組み立てられたロボットに比べて大幅なコスト削減を実現します。多軸システムのサイジング、選定、発注、組み立て、起動、トラブルシューティングには数百時間かかることもありますが、プレエンジニアリングされたシステムであれば、選定と起動に要する時間はわずか数時間に短縮されます。また、メーカーの標準製品には幅広い構成、ガイドタイプ、駆動技術が用意されているため、設計者やエンジニアは性能を妥協したり、アプリケーションに必要な機能以上の費用を負担したりする必要がありません。