1. 概要
案内機構とは、移動部品が設計者の意図した方向および経路に沿って運動するよう、支持しながら導く機械要素または機械構造である。
拘束機構とは、移動部品が許容された運動以外の方向へ動かないように、自由度を制限する構造である。
案内と拘束の機能は互いに密接に関係している。
例えば、リニアガイドはテーブルが一方向へ移動することを許容しながら、同時に次の運動を拘束する。
横方向の並進運動
垂直方向の並進運動
ピッチ回転
ヨー回転
ロール回転
つまり、一つの直線移動自由度だけを許容し、残りの自由度を制限する。
案内機構および拘束機構の基本的な機能は次のとおりである。
荷重の支持
→ 許容運動の定義
→ 不要な自由度の拘束
→ 位置および姿勢の維持
→ 摩擦およびすきまの管理
→ 高精度で安定した運動の実現
代表的な用途は次のとおりである。
工作機械の送りテーブル
自動化装置の直線軸
スライドドア
プレスラム
コンベヤのサイドガイド
昇降装置
ロボットの直線軸
包装機械のフィルムガイド
シリンダロッドの案内
回転軸の軸受支持
製品の整列および位置決め
案内機構の性能は、単に運動できるかどうかだけで評価することはできない。実際の設計では、次の項目を総合的に検討する必要がある。
許容自由度
拘束自由度
荷重方向
精度
剛性
摩擦
すきま
予圧
速度
加速度
寿命
潤滑
汚染
組立誤差
保守性
2. 案内および拘束の基本概念
2.1 案内
案内とは、移動体が所定の経路に沿って動くように、その方向と位置を維持する機能である。
代表的な案内形式は次のとおりである。
直線案内
回転案内
曲線経路案内
らせん案内
平面案内
空間経路案内
2.2 拘束
拘束とは、物体の自由度を制限する機能である。
三次元空間内の剛体は、次の自由度を持つ。
X軸方向の並進
Y軸方向の並進
Z軸方向の並進
X軸まわりの回転
Y軸まわりの回転
Z軸まわりの回転
したがって、三次元空間内の剛体は合計6自由度を持つ。
機械の移動部がX軸方向だけに移動する必要がある場合、残りの5自由度を拘束しなければならない。
2.3 案内と拘束の関係
案内機構は許容する運動を定義し、拘束機構は許容しない運動を制限する。
実際の機械要素の多くは、この二つの機能を同時に持つ。
例：
リニアガイド：直線運動を案内し、回転および横方向運動を拘束する
軸受：回転運動を案内し、軸中心位置を拘束する
キーとキー溝：軸とハブの相対回転を拘束する
スプライン：回転を拘束しながら軸方向移動を許容する
ピンとスロット：特定方向の運動を許容し、その他の方向を拘束する
3. 自由度および拘束条件
3.1 剛体の自由度
三次元空間内の剛体は、6自由度を持つ。
並進自由度
X軸方向の移動
Y軸方向の移動
Z軸方向の移動
回転自由度
X軸まわりの回転
Y軸まわりの回転
Z軸まわりの回転
機械設計では、必要な運動だけを残し、その他の自由度を除去する必要がある。
3.2 完全拘束
不要な自由度をすべて適切に制限した状態である。
例えば、治具に固定されたワークの6自由度がすべて制限されている場合、そのワークは完全拘束状態にある。
3.3 不完全拘束
必要以上の自由度が残っている状態である。
不完全拘束は、次の問題を引き起こす可能性がある。
がたつき
位置決め誤差
振動
製品の移動
加工誤差
繰返し精度の低下
3.4 過拘束
同一の自由度を二つ以上の拘束要素が重複して制限している状態である。
理想的な形状では問題なく動作する場合でも、実際の製造誤差が存在すると次の問題が発生する。
組立困難
かじり
軸受への過大荷重
摩擦増加
早期摩耗
熱膨張による焼付き
フレーム変形
3.5 正確拘束
必要な自由度を重複なく正確に制限する設計方法である。
正確拘束設計は、運動学的に決定された構造とも呼ばれる。
代表的な原理は次のとおりである。
3-2-1位置決め原理
3点による平面の決定
2点による方向の決定
1点による最終位置の決定
運動学的カップリング
4. 案内機構の基本分類
案内機構は、運動形式および接触方式によって分類できる。
4.1 運動形式による分類
直線案内機構
回転案内機構
曲線案内機構
らせん案内機構
平面案内機構
空間案内機構
4.2 接触方式による分類
すべり案内
転がり案内
流体膜案内
空気膜案内
磁気浮上案内
弾性変形案内
4.3 拘束原理による分類
形状拘束
力による拘束
重力拘束
ばね拘束
油圧・空気圧拘束
磁力拘束
真空拘束
4.4 構造による分類
レールとスライダ
軸とブッシュ
あり溝ガイド
Vガイド
平面ガイド
ローラガイド
クロスローラガイド
リンク案内機構
カムとフォロワ
ピンとスロット
5. 直線案内機構
5.1 定義
直線案内機構は、移動部が一つの直線経路に沿って運動するように支持し、案内する機構である。
直線案内機構は、自動化装置、工作機械、ロボット、包装機械および搬送装置で広く使用される。
5.2 基本機能
直線移動方向の維持
横方向変位の制限
回転運動の抑制
荷重支持
高精度な位置維持
摩擦低減
繰返し運動の支持
5.3 主な種類
すべりガイド
シャフトとリニアブッシュ
プロファイルレールガイド
クロスローラガイド
Vローラガイド
テレスコピックガイド
静圧ガイド
空気軸受ガイド
フレクシャガイド
6. すべり案内
6.1 定義
すべり案内は、二つの接触面が互いにすべりながら移動部を案内する構造である。
代表例は次のとおりである。
平面スライド
あり溝ガイド
ボックスガイド
V・平面ガイド
円筒スライド
すべりブッシュ
6.2 長所
構造が単純である
大きな荷重を支持できる
衝撃および振動の減衰性が良い
接触面積が大きい
工作機械の重切削に適している
汚染環境に比較的強い
6.3 短所
摩擦が大きい
スティックスリップが発生する可能性がある
潤滑状態の影響を大きく受ける
摩耗によってすきまが増加する
高速運動には制限がある
高精度な表面加工が必要である
6.4 スティックスリップ
スティックスリップとは、静止摩擦と動摩擦との差によって、移動部が滑らかに動かず、付着とすべりを繰り返す現象である。
次の問題を引き起こす可能性がある。
低速送りの不均一
位置制御の不安定化
振動
表面品質の低下
騒音
早期摩耗
6.5 スティックスリップの低減方法
低摩擦材料の使用
適切な潤滑
案内面加工精度の向上
接触面圧の低減
静圧潤滑の使用
低速制御の改善
PTFE系ライナの使用
7. あり溝ガイド
7.1 定義
あり溝ガイドは、台形断面の溝と対応するスライダを組み合わせて直線運動を案内する構造である。
7.2 特徴
上下および横方向の運動を拘束できる
構造がコンパクトである
大きな荷重を支持できる
調整用ギブを組み込める
工作機械や手動調整軸に適している
7.3 ギブ
ギブは、あり溝ガイドのすきまを調整するためのくさび形または平板形部品である。
ギブが緩すぎるとすきまが増加し、締めすぎると摩擦と発熱が増加する。
7.4 主な用途
旋盤の刃物台
フライス盤のスライド
精密バイス
手動位置調整テーブル
測定機器
小型プレス
8. ボックスガイドおよび平面ガイド
8.1 ボックスガイド
ボックスガイドは、広い長方形の接触面を使用して移動部を案内する構造である。
長所
高い荷重容量
高い剛性
優れた振動減衰性
重切削に適している
短所
摩擦が大きい
潤滑管理が必要である
高精度な加工およびきさげ加工が必要である
高速送りには不利である
8.2 平面ガイド
二つの平面が接触する最も単純な案内構造である。
平面だけでは横方向の拘束が不十分であるため、一般にVガイド、側面ガイド、または別のキー構造と組み合わせて使用する。
9. V・平面ガイド
9.1 定義
V形ガイドと平面ガイドを組み合わせて移動部を案内する構造である。
Vガイドが中心位置と横方向位置を決定し、平面ガイドが垂直荷重を支持しながら熱膨張を許容する。
9.2 長所
自己調心性が良い
過拘束を低減できる
熱膨張に対応しやすい
比較的高い精度を得られる
9.3 主な用途
工作機械ベッド
測定装置
精密スライド
長距離送りテーブル
10. シャフトおよびリニアブッシュ
10.1 定義
円形シャフトに沿ってリニアブッシュが移動する直線案内構造である。
10.2 主な構成要素
硬化シャフト
リニアボールブッシュ
ハウジング
シャフト支持部
シール
潤滑部品
10.3 長所
構造が単純である
組立が容易である
比較的低コストである
標準製品が豊富である
長いストロークに適している
10.4 短所
プロファイルレールガイドよりモーメント剛性が低い
シャフトのたわみを検討する必要がある
開放形シャフトには支持構造が必要である
回転を防止するために二本以上のシャフトが必要になる場合がある
汚染および芯ずれに敏感な場合がある
10.5 主な用途
小型自動化装置
プリンタおよびスキャナ
包装機械
検査装置
組立治具
低荷重搬送軸
11. プロファイルレールリニアガイド
11.1 定義
プロファイルレールと、循環式ボールまたはローラを内蔵したブロックを使用する高精度転がり案内である。
11.2 主な構成要素
ガイドレール
ガイドブロック
ボールまたはローラ
リテーナ
エンドキャップ
シール
潤滑ポート
取付ボルト
11.3 ボールタイプ
ボールと軌道面の点接触または楕円接触を利用する。
特徴
低摩擦
高速運転が可能
豊富なサイズ
高い位置決め精度
比較的小さい駆動力
11.4 ローラタイプ
円筒ローラと軌道面の線接触を利用する。
特徴
高い荷重容量
高い剛性
小さい弾性変位
工作機械および高荷重軸に適している
価格が高く、組立精度の要求も高い
11.5 長所
低摩擦
高精度
高い繰返し精度
予圧を付与できる
多方向荷重を支持できる
モーメント荷重を支持できる
標準化された製品群が豊富である
11.6 短所
衝撃や汚染に敏感な場合がある
取付面精度が重要である
レール平行度誤差に敏感である
局部接触応力が高い
潤滑およびシール管理が必要である
12. リニアガイドに作用する荷重
リニアガイドには、次の荷重が作用する場合がある。
12.1 垂直荷重
ガイドレールに対して垂直に作用する荷重である。
12.2 横荷重
ガイドレールの側面方向に作用する荷重である。
12.3 引抜き荷重
ブロックをレールから引き離す方向に作用する荷重である。
12.4 ピッチングモーメント
移動方向に垂直な軸を中心として、テーブルを前後に傾けるモーメントである。
12.5 ヨーイングモーメント
垂直軸を中心として、テーブルを左右に回転させるモーメントである。
12.6 ローリングモーメント
移動方向軸を中心として、テーブルをねじるモーメントである。
ガイドブロック数、ブロック間隔およびレール間距離は、これらのモーメント荷重を基準として決定する必要がある。
13. 予圧
13.1 定義
予圧とは、転動体とレールの間にあらかじめ内部荷重を与え、すきまを除去する方法である。
13.2 長所
すきまの低減
剛性の向上
振動の低減
位置決め繰返し精度の向上
衝撃時の接触安定性向上
13.3 短所
摩擦の増加
発熱の増加
駆動力の増加
寿命が低下する可能性
組立誤差への感度増加
13.4 選定基準
予圧は、次の条件に基づいて選定する。
要求精度
荷重
振動
加速度
駆動モータ容量
取付誤差
使用温度
必要寿命
14. クロスローラガイド
14.1 定義
円筒ローラを互いに直角方向へ交互に配置して、高精度な直線運動を案内するガイドである。
14.2 特徴
高い剛性
小さい弾性変位
滑らかな運動
高い直進精度
モーメント荷重の支持
コンパクトな構造
14.3 短所
ストロークが制限される場合がある
汚染に敏感である
組立および予圧調整が重要である
コストが高い場合がある
14.4 主な用途
精密測定装置
光学装置
半導体製造装置
精密ステージ
顕微鏡
小型高精度搬送軸
15. ローラガイドおよびVローラガイド
15.1 定義
ローラがレールまたはV形トラック上を転がりながら、移動部を案内する構造である。
15.2 長所
長い移動距離を実現できる
構造が比較的単純である
汚染環境に対応しやすい
大型構造に適用できる
保守性が良い
15.3 短所
精密リニアガイドより位置精度が低い場合がある
ローラおよびレールに摩耗が発生する
予圧および偏心調整が必要になる場合がある
レール接続部で衝撃が発生する場合がある
15.4 主な用途
大型スライドドア
ガントリ装置
物流設備
溶接自動化装置
カバーおよびガード
長距離搬送装置
16. テレスコピックガイド
16.1 定義
複数段のレールを入れ子状に配置し、収納長さより長い引出しストロークを提供する案内機構である。
16.2 主な種類
2段レール
3段レール
全引出し形
部分引出し形
重荷重形
ロック付き
ステンレス形
16.3 主な用途
装置用引出し
バッテリ引出しトレイ
制御盤
保守作業用プラットフォーム
スライド作業台
車載装置
16.4 設計検討事項
引出しストローク
たわみ
偏心荷重
ロック
繰返し寿命
衝撃
汚染
取付方向
17. 回転案内機構
17.1 定義
回転案内機構は、軸または回転体が所定の回転軸を中心として運動するように支持し、その位置を維持する機構である。
17.2 主な種類
すべり軸受
玉軸受
ころ軸受
クロスローラ軸受
ターンテーブル軸受
静圧軸受
空気軸受
磁気軸受
17.3 主な機能
回転中心の維持
ラジアル荷重の支持
アキシアル荷重の支持
モーメント荷重の支持
摩擦の低減
軸振れの抑制
回転精度の確保
18. すべり軸受
18.1 定義
軸と軸受面との間ですべり運動が発生する回転案内要素である。
18.2 長所
構造が単純である
大きな荷重を支持できる
衝撃荷重に強い
振動減衰性が良い
低速・高荷重用途に適している
分割構造が可能である
18.3 短所
摩擦が比較的大きい
潤滑が重要である
起動摩擦が大きい
摩耗および発熱が発生する
高速・高精度回転には制限がある場合がある
18.4 主な用途
大型機械軸
クランク軸
ヒンジ
低速回転軸
建設機械
振動装置
19. 転がり軸受
19.1 玉軸受
ボールと軌道面の転がり接触を利用する。
長所：
摩擦が小さい
高速回転に適している
標準化が進んでいる
ラジアル荷重とアキシアル荷重を組み合わせて支持できる
19.2 ころ軸受
円筒ころ、円すいころ、または自動調心ころを使用する。
長所：
高い荷重容量
高い剛性
線接触
高荷重軸に適している
19.3 回転拘束設計
軸を正確に支持するため、次の項目を検討する必要がある。
固定側と自由側の配置
軸方向位置決め
熱膨張の許容
予圧
はめあい
潤滑
密封
組立公差
20. 固定側および自由側軸受
20.1 固定側
固定側軸受は、軸のラジアル方向位置と軸方向位置の両方を決定する。
20.2 自由側
自由側軸受は、ラジアル荷重を支持しながら、軸方向の熱膨張を許容する。
20.3 必要性
両側の軸受を軸方向に完全固定すると、熱膨張によって大きな内部荷重が発生する場合がある。
したがって、長い軸や温度変化の大きい装置では、固定側と自由側を明確に区別することが重要である。
21. 曲線案内機構
21.1 定義
曲線案内機構は、移動部を直線ではなく、円弧または任意の曲線経路に沿って案内する構造である。
21.2 主な種類
曲線レール
円弧ガイド
カムとフォロワ
ピンとスロット
リンクによる軌跡
曲線ローラトラック
21.3 主な用途
回転ドア
製品の迂回搬送
曲線コンベヤ
包装材料の折り曲げ
ロボットエンドエフェクタの軌跡
製品姿勢の変更
カバーの開閉
22. ピン・スロット機構
22.1 定義
ピンがスロット内部を移動することで、所定の軌跡を生成したり、運動方向を制限したりする構造である。
22.2 主な機能
直線または曲線経路の案内
回転運動と直線運動の組合せ
運動範囲の制限
揺動運動の生成
位置同期
22.3 設計検討事項
ピンとスロットのすきま
接触面圧
すべり速度
潤滑
スロット端部の応力集中
衝撃
摩耗
離脱防止
23. リンクを用いた案内機構
23.1 定義
リンク機構の幾何学的関係を利用して、移動部の軌跡および姿勢を拘束する方式である。
23.2 主な種類
平行四辺形リンク
スコット・ラッセル機構
ワット直線運動機構
チェビシェフリンク
四節リンク
多節リンク
23.3 長所
長いレールを使用せずに運動経路を生成できる
主として回転ジョイントで構成できる
複雑な軌跡を生成できる
機械的同期が可能である
23.4 短所
正確な直線運動を得ることが難しい場合がある
ジョイントすきまが累積する
設置空間が必要である
速度および姿勢が非線形に変化する場合がある
運動学解析が必要である
24. 流体膜案内機構
24.1 静圧油圧ガイド
外部ポンプから供給された加圧油によって、案内面間に油膜を形成する。
長所
接触摩擦が極めて小さい
高い剛性
スティックスリップがほとんどない
高精度
大きな荷重を支持できる
優れた振動減衰性
短所
油圧供給装置が必要である
構造が複雑である
油漏れおよび汚染管理が必要である
コストが高い
温度および粘度の影響を受ける
24.2 動圧ガイド
相対運動によって流体圧力を発生させ、荷重を支持する。
停止時には十分な流体膜が形成されない場合がある。
25. 空気軸受ガイド
25.1 定義
案内面間に圧縮空気を供給し、非接触の空気膜によって移動部を支持する案内機構である。
25.2 長所
ほぼ無摩擦
摩耗が極めて少ない
高い直進精度
微細位置決めに適している
清浄環境に適している
スティックスリップがない
25.3 短所
荷重容量が限定される
外部空気供給装置が必要である
粉じんおよび表面損傷に敏感である
剛性が比較的低い場合がある
異常時の接触防止構造が必要である
25.4 主な用途
半導体製造装置
精密測定機器
光学ステージ
三次元測定機
超精密加工機
ディスプレイ製造装置
26. 磁気案内および磁気軸受
26.1 定義
磁力を利用して、移動部を非接触状態で支持および案内する機構である。
26.2 主な種類
永久磁石形
電磁石形
能動磁気軸受
受動磁気浮上
リニア磁気ガイド
26.3 長所
非接触運転
摩耗がない
高速運転が可能
潤滑が不要
真空および清浄環境へ適用できる
26.4 短所
制御システムが複雑になる場合がある
コストが高い
停電時に補助軸受が必要になる場合がある
荷重方向および安定性設計が複雑である
磁場の影響を検討する必要がある
27. フレクシャ案内機構
27.1 定義
フレクシャ案内機構は、材料の弾性変形を利用し、摩擦やすきまを発生させずに、限定された範囲の運動を許容する機構である。
27.2 主な特徴
ジョイント摩擦がない
バックラッシがない
潤滑が不要
高い繰返し精度
微小運動に適している
一体構造として製作できる
27.3 短所
移動範囲が限定される
繰返し疲労を検討する必要がある
荷重容量が限定される場合がある
応力集中を管理する必要がある
運動剛性が非線形になる場合がある
27.4 主な用途
精密ステージ
光学調整装置
微細位置決め
半導体装置
センサ
精密クランプ
マイクロメカニズム
28. 形状拘束機構
28.1 定義
部品の幾何学的形状およびかみ合いを利用し、特定方向の運動を制限する方式である。
28.2 代表的な要素
キーとキー溝
スプライン
ピン
スロット
溝
ストッパ
肩部
歯
セレーション
多角形軸
28.3 長所
機械的機能が明確である
大きな力およびトルクを伝達できる
位置が幾何学的に決定される
制御装置なしで拘束できる
28.4 短所
すきまが発生する場合がある
応力集中が発生する
摩耗が発生する
組立公差に敏感な場合がある
衝撃が発生する場合がある
29. キーおよびキー溝
29.1 定義
キーは軸とハブの間に挿入され、相対回転を防止しながらトルクを伝達する機械要素である。
29.2 主な種類
平行キー
テーパキー
半月キー
サドルキー
接線キー
スプライン
29.3 拘束機能
キーは軸とハブの間の回転自由度を制限する。
一般的な平行キー構造では、軸方向移動は拘束されない場合があるため、ナット、止め輪、肩部またはクランプを追加する。
29.4 主な故障形態
キーのせん断
面圧による損傷
キー溝の変形
フレッティング
すきまの増加
軸の疲労亀裂
30. スプライン
30.1 定義
スプラインは、軸外周およびハブ内周に複数の歯を形成し、トルクを伝達する構造である。
30.2 特徴
大きなトルクを伝達できる
荷重を分散できる
良好な調心性
軸方向移動を許容できる
繰返し組立に適している
30.3 主な種類
平行側面スプライン
インボリュートスプライン
セレーション
ボールスプライン
30.4 ボールスプライン
ボールの転がり接触を使用し、軸方向移動を許容しながら回転を拘束する。
主な用途
ロボットの昇降軸
回転防止シリンダ
精密搬送軸
自動化装置
Z軸
31. 位置決めピン
31.1 定義
位置決めピンは、二つの部品間の相対位置を正確に決定し、繰返し組立時に同じ位置を再現する要素である。
31.2 主な種類
円筒ピン
テーパピン
ダウエルピン
ダイヤモンドピン
クラウニングピン
インデックスピン
31.3 丸ピンとダイヤモンドピンの組合せ
二本の丸ピンを使用すると、穴間距離の誤差によって過拘束が発生する場合がある。
一般的には、次のように構成する。
1本目の丸ピン：X方向およびY方向の位置を決定
2本目のダイヤモンドピン：一方向のみを拘束
この構造は、組立公差を吸収しながら正確な位置決めを実現する。
32. 3-2-1位置決め原理
32.1 定義
3-2-1原理は、最小限の接触点によってワークまたは部品の6自由度を制限する基本的な位置決め方法である。
32.2 3点支持
三つの点で一次基準面を形成し、次の自由度を拘束する。
一方向の並進
二軸まわりの回転
32.3 2点支持
二つの点で二次基準面を形成し、次の自由度を拘束する。
一方向の並進
一軸まわりの回転
32.4 1点支持
三次基準面上の一つの点によって、最後の並進自由度を拘束する。
32.5 長所
過拘束を防止できる
明確な位置決めが可能である
公差管理が容易になる
繰返し精度を向上できる
治具および検査ゲージの設計に適している
33. ストッパおよびエンドストップ
33.1 定義
ストッパは、移動部の最大移動量を機械的に制限する、または停止位置を決定する要素である。
33.2 主な種類
固定ストッパ
調整式ストッパ
緩衝ストッパ
ゴムバンパ
ウレタンバンパ
油圧ショックアブソーバ
ボルト形ストッパ
33.3 設計検討事項
衝突エネルギー
接触応力
繰返し寿命
停止精度
騒音
弾性変形
締結強度
非常時荷重
33.4 衝突エネルギー
移動体の運動エネルギーは次の式で表される。
E = 1/2 mv²
回転体の場合は次のとおりである。
E = 1/2 Iω²
ストッパまたはショックアブソーバは、このエネルギーを安全に吸収できるように選定する必要がある。
34. クランプ拘束機構
34.1 定義
クランプ拘束機構は、外力を加えて移動部またはワークを基準面へ押し付け、その位置を維持する装置である。
34.2 主な種類
ねじクランプ
トグルクランプ
カムクランプ
偏心クランプ
くさびクランプ
油圧クランプ
空気圧クランプ
磁気クランプ
真空クランプ
34.3 位置決めとクランプの違い
位置決め要素は、部品の位置を決定する。
クランプは、部品を位置決め面へ押し付け、その状態を維持する。
クランプそのもので位置を決定しようとすると、摩擦および変形によって繰返し精度が低下する可能性がある。
35. 力による拘束
35.1 ばね拘束
ばね力によって、フォロワ、ガイドまたは製品を基準面へ押し付ける。
35.2 重力拘束
移動部の自重を利用して、レールまたは基準面への接触を維持する。
35.3 空気圧拘束
空気圧シリンダによって、移動部または製品をクランプする。
35.4 油圧拘束
大きな保持力と安定したクランプ力が必要な装置に適用する。
35.5 真空拘束
平板、フィルム、ガラス、シート材などを吸着して位置を保持する。
35.6 磁力拘束
強磁性体部品を磁力によって固定する。
36. 案内精度
案内機構に関する主な精度項目は次のとおりである。
36.1 真直度
移動部が理想的な直線経路から外れる程度である。
36.2 平行度
二本のレールまたは基準面が互いに平行である程度を表す。
36.3 平面度
案内面全体が理想的な平面から外れる程度である。
36.4 回転精度
回転軸の振れおよび軸中心の変動を表す。
36.5 振れ
回転部の表面または軸中心が回転中に変動する程度である。
36.6 位置決め繰返し精度
同一位置へ繰り返し移動したとき、その位置がどの程度一貫して再現されるかを表す。
36.7 すきま
外力が反対方向へ作用したときに、移動部が自由に動く量である。
37. 剛性および変形
37.1 案内剛性
外力が作用した際に、案内部が変形に抵抗する能力である。
k = F / δ
ここで、
k：剛性
F：荷重
δ：変位
37.2 主な変形要因
レールの曲げ
シャフトのたわみ
ブロックの弾性変形
軸受の変形
取付面の変形
フレームのねじり
接触部の弾性変形
37.3 剛性向上方法
レールサイズを大きくする
レール間距離を広げる
ブロック間距離を広げる
ブロック数を増やす
予圧を適用する
フレーム断面を強化する
取付面精度を向上する
荷重中心を案内面の近くへ配置する
38. 摩擦および駆動力
38.1 基本摩擦力
すべり案内の摩擦力は、次のように近似できる。
F_friction = μN
ここで、
μ：摩擦係数
N：垂直荷重
38.2 転がり案内
転がり案内は、すべり案内より摩擦が小さいが、次の抵抗が存在する。
転がり接触部の変形
シール抵抗
潤滑抵抗
予圧
リテーナ抵抗
38.3 必要駆動力
F_drive
= F_friction + F_process + ma + F_disturbance
ここで、
F_friction：摩擦力
F_process：工程荷重
ma：慣性力
F_disturbance：外乱力
39. 芯合わせおよび組立誤差
39.1 主な組立誤差
レール平行度誤差
高さ差
ねじれ
軸中心の不一致
軸受ハウジングの偏心
取付面の平面度誤差
締結による変形
39.2 組立誤差の影響
摩擦の増加
局部荷重
ブロック寿命の低下
かじり
発熱
振動
位置決め精度の低下
騒音
39.3 対策
基準面を明確に設定する
高精度加工
調整用シム
ダイヤルゲージ
レーザアライメント
順次締付け
締付けトルク管理
自動調心軸受
球面ジョイント
40. 熱膨張
40.1 影響
案内部やフレームの温度が変化すると、次の問題が発生する場合がある。
レール長さの変化
軸の伸び
予圧の変化
拘束力の増加
位置誤差
かじり
軸受内部荷重の増加
40.2 対策
固定側と自由側を分ける
長穴を使用する
熱膨張用すきまを確保する
熱膨張係数が近い材料を使用する
対称構造を採用する
温度を制御する
補正アルゴリズムを使用する
絶対位置センサを使用する
41. 潤滑および密封
41.1 潤滑の目的
摩擦の低減
摩耗の防止
発熱の低減
腐食の防止
寿命の延長
騒音の低減
41.2 潤滑方式
グリース潤滑
オイル潤滑
自動給油
オイルミスト
固体潤滑
無給油ブッシュ
41.3 シールおよびカバー
ワイパシール
リップシール
ベローズ
テレスコピックカバー
ロールアップカバー
レールキャップ
ラビリンス構造
41.4 汚染管理
次の汚染物が案内部へ侵入しないようにする必要がある。
粉じん
切りくず
製品片
水
洗剤
金属粉
粘着性物質
42. 材料および表面処理
42.1 ガイドレール
軸受鋼
合金鋼
炭素鋼
ステンレス鋼
表面硬化鋼
42.2 すべり案内材料
鋳鉄
青銅
PTFE複合材
POM
UHMW-PE
ターサイト系材料
42.3 表面処理
浸炭
窒化
高周波焼入れ
硬質クロムめっき
無電解ニッケルめっき
研削
ラッピング
DLCコーティング
42.4 選定基準
荷重
速度
摩耗
腐食
潤滑
洗浄
コスト
食品接触の可能性
43. 案内機構の選定手順
43.1 必要な運動の定義
直線運動
回転運動
曲線運動
平面運動
空間運動
微小運動
43.2 自由度の定義
許容する自由度
拘束する自由度
回転防止の必要性
軸方向移動を許容するかどうか
43.3 荷重解析
垂直荷重
横荷重
軸方向荷重
モーメント荷重
衝撃荷重
繰返し荷重
偏心荷重
43.4 性能条件
ストローク
速度
加速度
精度
繰返し精度
剛性
摩擦
寿命
43.5 環境条件
温度
湿気
粉じん
洗浄
腐食
食品接触
真空
クリーンルーム
爆発危険環境
43.6 案内構造の比較
すべりガイド
シャフトとブッシュ
プロファイルレールガイド
ローラガイド
静圧ガイド
空気軸受
フレクシャ
リンク案内
43.7 拘束方式の確認
形状拘束
ピン
ストッパ
クランプ
ばね
ブレーキ
真空
磁力
43.8 最終検証
静的剛性試験
真直度測定
繰返し位置試験
最大荷重試験
衝撃試験
寿命試験
汚染試験
洗浄試験
温度試験
44. 主な故障形態
44.1 摩耗
レール摩耗
ブッシュ摩耗
ローラ摩耗
スロット摩耗
ピン摩耗
案内面のスコーリング
44.2 ピッチングおよび剥離
転がり接触部では、繰返し接触応力によって表面疲労損傷が発生する場合がある。
44.3 塑性変形
過大荷重によって、レール、ブロック、ピンまたはストッパが永久変形する場合がある。
44.4 焼付き
主な原因は次のとおりである。
潤滑不足
汚染
芯ずれ
熱膨張
腐食
過大な予圧
44.5 すきまの増加
摩耗または締結部の緩みによってすきまが増加すると、精度および剛性が低下する。
44.6 疲労破壊
レール
ボール
ローラ
ピン
取付ボルト
フレクシャヒンジ
44.7 シール損傷
シールが摩耗すると、汚染物が侵入し、潤滑剤が流出する可能性がある。
44.8 共通の故障原因
過負荷
衝撃
潤滑不足
汚染
組立誤差
芯ずれ
過大な予圧
不適切な材料選定
フレーム剛性不足
保守不足
45. 保守および点検
45.1 日常点検
異常音
振動
発熱
運動の不均一
潤滑状態
シール損傷
レール汚染
締結部の緩み
すきま
ストローク異常
45.2 定期点検
真直度
平行度
レール取付ボルトの締付けトルク
ブロックすきま
シャフトのたわみ
軸受状態
ストッパ損傷
クランプ動作
位置決めピンの摩耗
45.3 予防保全部品
ガイドブロック
リニアブッシュ
軸受
ピン
ブッシュ
シール
ワイパ
潤滑剤
ストッパ
ショックアブソーバ
45.4 状態基準保全
次のデータを監視に利用できる。
駆動モータ電流
摩擦力
振動
温度
位置誤差
速度変動
騒音
すきま
潤滑状態
46. 安全設計
46.1 挟まれおよびせん断の危険
ガイドと移動部の間、ストッパ周辺、およびリンク間には、挟まれ点やせん断点が形成される場合がある。
46.2 保護対策
固定式ガード
ベローズ
インターロック付きドア
安全距離
ライトカーテン
非常停止
速度制限
トルク制限
46.3 落下および離脱防止
垂直ガイドには、次の装置を検討する必要がある。
ブレーキ
セーフティナット
落下防止ラッチ
補助ガイド
二重ケーブル
機械式ストッパ
チェックバルブ
46.4 レール離脱防止
ガイドブロックまたはローラがレールから外れないよう、エンドストッパおよび離脱防止構造を設ける。
47. 食品機械における案内機構および拘束機構
食品機械では、運動精度だけでなく、衛生性、洗浄性、耐食性および潤滑剤による汚染防止を同時に考慮する必要がある。
47.1 主な衛生要求事項
食品残渣が蓄積しにくい構造
深い隙間の最小化
露出ねじ部の最小化
排水可能な表面
洗浄可能なガイド
潤滑部と食品区域の分離
耐食材料
密閉型軸受
食品用潤滑剤
洗浄後に乾燥しやすい構造
47.2 リニアガイド
可能な限り、直接食品接触区域の外側へ配置し、ベローズまたは衛生カバーで保護する。
47.3 シャフトおよびブッシュ
ステンレスシャフトと食品用ポリマーブッシュを使用することで、潤滑の必要性を低減できる。
47.4 製品サイドガイド
製品と直接接触するガイドには、次の要素を検討する。
UHMW-PE
POM
ステンレス鋼
工具なしの幅調整
丸みを持たせた端部
洗浄可能な支持部
製品損傷の防止
47.5 位置決めピンおよびストッパ
製品残渣が蓄積しないよう、単純な外形と開放構造を採用する。
47.6 主な用途
充填ノズルの昇降
シールジョーの案内
切断刃の直線案内
包装フィルムの側面案内
容器の整列
トレイの位置決め
製品幅の調整
グリッパ運動の拘束
検査テーブル
製品ストッパ
48. 適用事例
48.1 サーボ直線軸
サーボモータ
→ ボールねじ
→ プロファイルレールガイド
→ 移動テーブル
主な検討事項：
ストローク
荷重
加速度
レール間隔
ブロック数
予圧
真直度
潤滑
カバー
48.2 充填ノズル昇降装置
電動アクチュエータ
→ リニアガイド
→ ノズルブラケット
→ 充填ノズル
主な検討事項：
ノズル重量
昇降速度
揺れ
位置決め繰返し精度
洗浄水
落下防止
食品区域と駆動区域の分離
48.3 コンベヤ製品ガイド
調整ハンドル
→ 幅調整軸
→ サイドガイド
→ 製品整列
主な検討事項：
製品幅
摩擦
製品損傷
曲線部の案内
工具なし調整
洗浄性
ロック
48.4 プレスラムガイド
プレス駆動部
→ ラム
→ ボックスガイドまたは四面ガイド
→ 金型
主な検討事項：
偏心荷重
ガイドすきま
潤滑
剛性
平行度
摩耗調整
衝撃
48.5 回転インデックステーブル
インデクサ
→ 出力軸
→ クロスローラ軸受
→ 回転テーブル
主な検討事項：
ラジアル荷重
アキシアル荷重
転倒モーメント
回転精度
休止時剛性
軸振れ
中空軸
48.6 精密フレクシャステージ
ピエゾアクチュエータ
→ フレクシャガイド
→ 精密移動プラットフォーム
主な検討事項：
移動範囲
剛性
繰返し精度
疲労寿命
応力集中
温度
センサフィードバック
49. 解析および設計ツール
49.1 CAD組立・モーション解析
自由度の確認
拘束条件の確認
干渉確認
ストローク
回転範囲
組立可能性
ストッパ位置
49.2 構造解析
レール変形
シャフトたわみ
ブロック荷重分布
フレームねじり
ストッパ応力
ピンおよびブッシュ面圧
フレクシャ応力
49.3 多体系動力学解析
移動部の慣性力
ガイド反力
接触力
衝撃
振動
駆動力
49.4 公差解析
レール平行度
ピン位置
穴間距離
組立誤差
熱膨張
累積公差
50. 結論
案内機構は、移動部を所定の方向および経路に沿って支持・案内する構造であり、拘束機構は、不要な自由度を制限して位置および姿勢を維持する構造である。
直線案内には、すべりガイド、シャフト・リニアブッシュ、プロファイルレールガイド、クロスローラガイドおよび空気軸受などが使用される。回転案内には、すべり軸受、玉軸受、ころ軸受およびクロスローラ軸受などが使用される。
形状拘束には、キー、スプライン、ピン、スロットおよびストッパが使用される。力による拘束には、ばね、クランプ、油圧、空気圧、真空および磁力が利用される。
案内機構を選定する際には、荷重容量だけを確認してはならない。自由度、精度、剛性、摩擦、予圧、モーメント荷重、芯ずれ、熱膨張、潤滑、汚染および保守性を総合的に検討する必要がある。
過拘束は、製造誤差や熱膨張によって摩擦および内部荷重を増加させる可能性がある。そのため、可能な場合は正確拘束原理と固定側・自由側支持構造を適用することが望ましい。
案内機構および拘束機構は、次の順序で設計・選定することが適切である。
必要な運動の定義
→ 許容自由度と拘束自由度の定義
→ 荷重およびモーメントの解析
→ 案内方式の選定
→ 拘束および位置決め方式の選定
→ 精度および剛性の確認
→ 摩擦および駆動力の計算
→ 芯ずれおよび熱膨張の確認
→ 潤滑・密封・汚染対策の確認
→ 安全性および保守性の確認
→ シミュレーションおよび寿命試験
適切に設計された案内機構および拘束機構は、機械の運動精度、繰返し性、剛性、安定性、寿命および安全性を向上させる重要な構成要素となる。