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ベルト駆動式直線運動システム

線形システムでは、バックラッシュとヒステリシスはしばしば同じ現象として扱われます。しかし、どちらも動作ロスの原因となるものの、その原因と動作原理は異なります。
反動:線形システムの敵

バックラッシュは、嵌合部品間の隙間(遊び)によって発生し、移動方向が反転した際にデッドバンド(不連続部)が生じます。デッドバンド内では、嵌合部品間の隙間が解消されるまで、動きは一切発生しません。

バックラッシュが発生しやすい部品としては、ボールねじ、リードねじ、ベルトとプーリーのシステム、歯車などが挙げられます。循環式ベアリングシステムでは、予圧をかけることでボール(またはローラー)と軌道面との隙間をなくし、バックラッシュを低減または解消することができます。循環式ではないシステムの中には、スプリングや特殊設計のリードねじナットなど、別の方法を用いてバックラッシュを低減または解消するものもあります。

いや、そうだろうか?

バックラッシュは一般的に機械システムのマイナス特性と見なされていますが、必ずしも有害とは限りません。まず、バックラッシュのない部品を製造するのは高価であり、ほとんどの場合、現実的ではありません。また、バックラッシュを低減する方法は、必然的に摩擦と摩耗を増加させます。用途においてある程度のバックラッシュが許容できる場合、利用可能な部品はより安価で入手しやすく、多くの場合、寿命も長くなります。歯車やギアボックスでは、歯車の歯に過度のストレスをかけたり摩擦を増加させたりすることなく歯車が噛み合うために、ある程度のバックラッシュが必要です。
ヒステリシスとは何ですか?

ヒステリシスは磁気システムと最も関連が深く、電気モーターではヒステリシス損失として現れます。簡単に言うと、ヒステリシスとは、初期負荷(または磁化力)に対する材料の反応と、負荷(または磁化力)が除去された後の材料の回復との間の関係のことです。例えば、鉄が外部磁場によって磁化されると、鉄の磁化は磁化力に遅れて進行します。磁化力が除去されても、鉄はある程度の磁気を保持します。つまり、反対の磁化力が加えられない限り、鉄は完全に非磁化状態に戻ることはありません。

機械システムにおいて、ヒステリシスは材料の弾性に関係しています。例えば、ボールナット内の鋼球が非荷重領域から荷重領域へ移動すると、鋼球にかかる力が増加し、わずかに変形します。しかし、鋼の弾性特性のため、鋼球はナットの非荷重領域に戻っても完全に元の形状に戻ることはありません。この持続的な微視的変形は、ヒステリシスによるものです。

ヒステリシスは、機械システムの駆動軸の挙動にも影響を与えます。軸にトルク(ねじり力)が加わると、内部応力が発生し、軸の形状が変化します。この形状変化は、ひずみ(ねじり荷重の場合はねじりひずみ)と呼ばれます。完全弾性材料では、応力とひずみの関係は線形です。しかし、完全弾性材料は少なく、材料の非弾性によって応力-ひずみ曲線は非線形になります。力が増減する際のこの非線形挙動は、ヒステリシスと呼ばれます。
線形システムにおいて、ヒステリシスが重要になるのはどのような場合か?

極めて高精度な機械式ステージを除けば、ヒステリシスは位置決め精度と再現性にほとんど影響を与えず、ほとんどの場合、バックラッシュの影響がヒステリシスの影響を大きく上回ります。しかし、材料の歪みを利用して動作を生み出すピエゾアクチュエータでは、指令された動作量の10~15%のヒステリシスが発生する可能性があります。ピエゾアクチュエータを閉ループシステムで動作させることで、ヒステリシスの影響を低減または排除できます。


投稿日時:2022年2月28日
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