1. 概要

機械システムにおけるモーションは、単に部品が移動または回転する現象だけを意味するものではない。

実際には、特定のエネルギーが駆動装置に供給され、駆動装置が力またはトルクを発生し、その出力が機械要素を通じて必要な運動へ変換される一連の過程である。

したがって、運動発生方式は次のような観点から分析できる。

• 運動を発生させるエネルギー源は何か

• 力またはトルクを発生させるアクチュエーターは何か

• 発生した運動を直接使用するか

• 回転運動を直線運動へ変換するか

• 流体圧力または弾性力を使用するか

• 外部制御信号に応じて運動を発生させるか

• 能動的に運動を発生させるか、受動的に発生させるか

• 一つの駆動源から複数の運動を生成するか

運動発生方式は、モーションシステムにおける次の特性を決定する基本的な設計要素である。

• 発生可能な力とトルク

• 運動速度

• 位置決め精度

• 繰返し精度

• エネルギー効率

• 構造の複雑性

• 保守性

• 安全性

• 騒音と振動

• 清浄性と衛生性

• 設置費用

• 制御の難易度

2. 運動発生方式と他のモーション分類との違い

2.1 運動軌跡による分類

運動軌跡は、物体が空間内でどのような経路に沿って移動するかを表す。

代表的な例は次のとおりである。

• 直線運動

• 回転運動

• 円弧運動

• 曲線運動

• らせん運動

• 空間運動

2.2 時間特性による分類

時間特性は、運動がいつ開始され、どの程度持続し、どのような周期で繰り返されるかを表す。

代表的な例は次のとおりである。

• 連続運動

• 間欠運動

• 周期運動

• イベント駆動運動

• 同期運動

2.3 速度・位置特性による分類

速度・位置特性は、運動速度がどのように変化し、目標位置をどのように制御するかを表す。

代表的な例は次のとおりである。

• 定速運動

• 可変速運動

• 点対点位置決め

• 連続経路制御

• 位置追従

• 位置保持

2.4 運動発生方式による分類

運動発生方式は、力とトルクがどのような原理によって生成され、どのような機構を通じて必要な運動へ変換されるかを表す。

代表的な例は次のとおりである。

• 電動モーター駆動

• 空圧駆動

• 油圧駆動

• 重力駆動

• 弾性力駆動

• 手動駆動

• 電磁駆動

• 圧電駆動

• 機械式運動変換駆動

一つのモーションは、複数の分類特性を同時に持つ。

例えば、空圧シリンダーで製品を押し出す装置は、次のように表すことができる。

• 運動発生方式：空圧駆動

• 運動軌跡：直線運動

• 時間特性：イベント駆動運動または間欠運動

• 位置特性：両端位置決め

3. 運動発生方式の基本分類

運動発生方式は、次の基準によって分類できる。

3.1 エネルギー供給方式による分類

• 人力または手動駆動

• 重力駆動

• 弾性エネルギー駆動

• 電気駆動

• 空圧駆動

• 油圧駆動

• 熱エネルギー駆動

• 燃焼またはエンジン駆動

3.2 アクチュエーター原理による分類

• 回転型電動モーター

• リニアモーター

• ソレノイド

• 空圧シリンダー

• 油圧シリンダー

• ロータリーアクチュエーター

• 圧電アクチュエーター

• 形状記憶合金アクチュエーター

• バイメタルアクチュエーター

3.3 運動変換方式による分類

• ダイレクトドライブ

• 回転・直線変換

• 回転・揺動変換

• 回転・往復変換

• 連続・間欠変換

• 速度・トルク変換

• 複合リンク変換

3.4 制御方式による分類

• 無制御の手動運動

• 機械式制御運動

• バルブ制御運動

• 電気的ON・OFF制御

• 速度制御

• 位置制御

• 力制御

• クローズドループサーボ制御

3.5 運動の能動性による分類

• 能動運動

• 受動運動

• 半能動運動

• 複合運動

4. 能動運動

4.1 定義

能動運動とは、外部から供給されたエネルギーをアクチュエーターが力またはトルクへ変換して発生させる運動である。

4.2 代表的なエネルギー源

• 電気

• 圧縮空気

• 油圧

• 熱

• 燃料

• 電磁エネルギー

4.3 主な特徴

• 運動の開始と停止を制御できる。

• 速度と位置を調整できる。

• 外部荷重に対して能動的に力を発生させる。

• 自動化システムに適している。

• エネルギー供給装置と制御装置が必要である。

4.4 代表的な適用例

• サーボモーター搬送軸

• 空圧シリンダープッシャー

• 油圧プレス

• リニアモーターステージ

• ロボット関節

• 自動クランプ

5. 受動運動

5.1 定義

受動運動とは、専用の駆動源が直接力を発生させるのではなく、外部から伝達される力または蓄積された位置エネルギーによって発生する運動である。

5.2 代表的な発生原理

• 重力

• ばねの復元力

• 慣性

• 外部物体からの接触力

• 作業者の力

• 流体の流れ

• 圧力差

5.3 主な特徴

• 構造が単純である。

• 追加の駆動エネルギーをほとんど必要としない。

• 制御可能な運動範囲が制限される場合がある。

• 荷重や環境条件によって動作が変化する場合がある。

• 安全性と復帰条件を別途検討する必要がある。

5.4 代表的な適用例

• 重力式シュート

• ばね復帰レバー

• フリーローラー

• 製品重量によって開くフラップ

• カウンターウェイト装置

• ワンウェイクラッチ

6. 人力および手動駆動

6.1 定義

人力駆動とは、作業者が直接力またはトルクを加えて運動を発生させる方式である。

6.2 代表的な構成要素

• ハンドル

• レバー

• ハンドホイール

• ペダル

• クランク

• グリップ

• ラチェット

• 手動ねじ

6.3 主な特徴

• 構造が単純である。

• 別の動力源を必要としない。

• 微調整が可能である。

• 運動速度と力が作業者に依存する。

• 反復作業では作業者の疲労が増加する。

• 自動化には制限がある。

6.4 代表的な適用例

• 手動高さ調整装置

• 手動クランプ

• バルブ開閉ハンドル

• 金型調整装置

• 保守用ジョグ機構

• 手動リフト

6.5 設計上の考慮事項

• 必要操作力

• ハンドル寸法

• レバー長さ

• 作業者の姿勢

• 反復操作回数

• 挟まれの危険

• 逆回転防止

• 操作方向の表示

7. 重力駆動

7.1 定義

重力駆動とは、物体の自重または位置エネルギーを利用して運動を発生させる方式である。

重力によって発生する力は、次のように表す。

F_g = m × g

各記号の意味は次のとおりである。

• F_g：重力

• m：物体の質量

• g：重力加速度

7.2 主な特徴

• 別の駆動源を必要としない。

• 構造が単純で、エネルギー効率が高い。

• 移動方向が重力方向によって制限される。

• 摩擦と傾斜角度の影響を大きく受ける。

• 速度制御が難しい場合がある。

7.3 代表的な適用例

• 重力式ローラーコンベヤ

• 製品排出シュート

• 落下式供給装置

• 自重復帰装置

• カウンターウェイト

• 傾斜式保管装置

7.4 傾斜面における駆動力

傾斜面に沿って作用する重力成分は、次のように表す。

F_slope = m × g × sinθ

各記号の意味は次のとおりである。

• F_slope：傾斜方向に作用する力

• m：物体の質量

• g：重力加速度

• θ：傾斜角度

7.5 設計上の考慮事項

• 傾斜角度

• 製品質量

• 摩擦係数

• 移動速度

• 衝突防止

• 落下防止

• 停止装置

• 製品の方向性

8. 弾性力駆動

8.1 定義

弾性力駆動とは、ばね、ゴム、板ばね、その他の弾性体に蓄積されたエネルギーを利用して運動を発生させる方式である。

ばね力は、次のように表す。

F = k × x

各記号の意味は次のとおりである。

• F：ばね力

• k：ばね定数

• x：変形量

8.2 代表的な弾性要素

• 圧縮ばね

• 引張ばね

• ねじりばね

• 板ばね

• ゴムエラストマー

• ガススプリング

• 皿ばね

8.3 主な特徴

• エネルギーを蓄積して放出できる。

• 復帰運動に適している。

• 構造が単純である。

• 発生力が変位に応じて変化する。

• 疲労と応力緩和を考慮する必要がある。

8.4 代表的な適用例

• ばね復帰バルブ

• クランプ復帰

• 安全カバー復帰

• ラッチ機構

• プッシャー復帰

• 衝撃吸収装置

• 一定圧力接触装置

8.5 設計上の考慮事項

• 初期張力

• 最大変形量

• ばね定数

• 疲労寿命

• 座屈

• 腐食

• 温度の影響

• 破損時の安全性

9. 回転型電動モーター駆動

9.1 定義

回転型電動モーター駆動とは、電気エネルギーを回転トルクへ変換して運動を発生させる、最も一般的な方式である。

9.2 代表的なモーター

• AC誘導モーター

• 同期モーター

• DCモーター

• ブラシレスDCモーター

• サーボモーター

• ステッピングモーター

• トルクモーター

9.3 主な特徴

• 高い回転速度を得やすい。

• 速度制御が可能である。

• 減速機を使用してトルクを増加できる。

• 回転運動を他の運動形態へ変換しやすい。

• 自動化と精密制御に適している。

9.4 出力トルクと動力

回転軸の機械動力は、次のように表す。

P = T × ω

各記号の意味は次のとおりである。

• P：動力

• T：トルク

• ω：角速度

9.5 代表的な適用例

• コンベヤ駆動

• ミキサー

• ポンプ

• スクリューフィーダー

• ボールねじ搬送軸

• ロボット関節

• 回転式切断機

9.6 設計上の考慮事項

• 定格トルク

• 最大トルク

• 定格速度

• 起動トルク

• 負荷慣性

• 減速比

• 発熱

• 冷却

• ブレーキ

• 保護等級

10. ステッピングモーター駆動

10.1 定義

ステッピングモーターとは、入力パルスに応じて一定の角度ずつ段階的に回転する電動アクチュエーターである。

10.2 主な特徴

• パルス数によって位置を制御できる。

• 低速域で高いトルクを発生できる。

• オープンループ制御が可能である。

• 停止状態で保持トルクを発生する。

• 高速域ではトルクが低下する。

• 過負荷時に脱調する場合がある。

10.3 代表的な適用例

• 小型搬送軸

• インデックス装置

• バルブ位置調整

• プリンター

• 小型自動化装置

• 定量供給装置

10.4 設計上の考慮事項

• ステップ角

• マイクロステップ

• 最大パルス周波数

• 加速と減速

• 脱調防止

• 共振

• 保持トルク

• モーター発熱

11. サーボモーター駆動

11.1 定義

サーボモーター駆動とは、エンコーダーフィードバックを使用して、位置、速度、トルクをクローズドループで制御する方式である。

11.2 主な特徴

• 高い位置決め精度を確保できる。

• 高速な加速と減速が可能である。

• 速度とトルクを制御できる。

• 負荷変動に対応できる。

• 制御装置の調整が必要である。

• 費用とシステムの複雑性が増加する。

11.3 代表的な適用例

• 精密搬送軸

• ロボット

• CNC装置

• 電子カム

• フライングカッター

• 包装機

• 多軸同期制御

11.4 設計上の考慮事項

• 負荷慣性比

• エンコーダー分解能

• 最大トルク

• 連続トルク

• 制御ゲイン

• 整定時間

• 追従誤差

• 回生エネルギー

12. リニアモーター駆動

12.1 定義

リニアモーターとは、電気エネルギーを直接直線推力へ変換するアクチュエーターである。

回転型モーターやボールねじなどの変換機構を使用せず、直線運動を直接発生させる。

12.2 主な特徴

• 直線運動を直接発生させる。

• バックラッシがほとんどない。

• 高速および高加速度運転が可能である。

• 機械的接触と摩擦が少ない。

• 精密位置決めに適している。

• 発熱と磁力の影響を検討する必要がある。

12.3 代表的な適用例

• 半導体製造装置

• 高速ピック・アンド・プレース

• 精密検査装置

• リニアステージ

• 高速切断機

• 電子部品組立装置

12.4 推力と加速度

リニアモーターに必要な推力は、次のように計算できる。

F = m × a + F_friction + F_external

各記号の意味は次のとおりである。

• F：必要推力

• m × a：加速に必要な力

• F_friction：摩擦力

• F_external：外部荷重

13. ソレノイドおよび電磁駆動

13.1 定義

ソレノイド駆動とは、コイルに電流を流した際に発生する磁力を利用し、プランジャーを直線方向または回転方向へ移動させる方式である。

13.2 主な特徴

• 高速なON・OFF動作が可能である。

• 構造が単純である。

• 短いストロークに適している。

• 通電中に発熱する。

• 位置制御範囲が限定される。

• 発生力がストローク位置によって変化する。

13.3 代表的な適用例

• ソレノイドバルブ

• ロック装置

• ラッチ

• 製品排出装置

• 電磁ブレーキ

• 小型クラッチ

• ドアインターロック

13.4 設計上の考慮事項

• ストローク

• 吸引力

• デューティ比

• コイル温度

• 復帰ばね

• 応答時間

• 残留磁力

• 電源電圧

14. 空圧駆動

14.1 定義

空圧駆動とは、圧縮空気の圧力を利用して直線運動または回転運動を発生させる方式である。

14.2 代表的な空圧アクチュエーター

• 単動シリンダー

• 複動シリンダー

• ロッドレスシリンダー

• ガイド付きシリンダー

• ロータリーアクチュエーター

• エアグリッパー

• 空気圧人工筋肉

14.3 シリンダー推力

空圧シリンダーの理論推力は、次のように計算できる。

F = P × A

各記号の意味は次のとおりである。

• F：シリンダー推力

• P：供給圧力

• A：ピストン有効面積

実際の推力は、摩擦と圧力損失のため理論推力より小さくなる。

F_actual = P × A × η

• η：効率係数

14.4 主な特徴

• 高速な往復運動に適している。

• 構造が単純である。

• 高い清浄性を確保できる。

• 過負荷に比較的強い。

• 空気の圧縮性により精密な位置制御が難しい。

• 圧縮空気の生成に多くのエネルギーを必要とする。

14.5 代表的な適用例

• 製品プッシャー

• クランプ

• 排出装置

• ドア開閉装置

• グリッパー

• ストッパー

• 包装機のシール装置

14.6 設計上の考慮事項

• シリンダー内径

• ストローク

• 供給圧力

• 必要速度

• 空気消費量

• クッション

• 横荷重

• ロッドの座屈

• 排気騒音

• 水分と汚染

15. 油圧駆動

15.1 定義

油圧駆動とは、加圧された作動油を利用して大きな力またはトルクを発生させる方式である。

15.2 代表的な油圧アクチュエーター

• 油圧シリンダー

• 油圧モーター

• ロータリーアクチュエーター

• 油圧プレス

• 油圧クランプ

15.3 シリンダー推力

油圧シリンダーの理論推力は、次のように計算する。

F = P × A

油圧システムでは空圧システムよりはるかに高い圧力を使用するため、小型シリンダーでも大きな力を発生できる。

15.4 主な特徴

• 非常に大きな力を発生できる。

• 低速でも安定した運動が可能である。

• 高い剛性と荷重保持能力を持つ。

• 衝撃荷重に強い。

• 油漏れと汚染管理が必要である。

• ポンプ、タンク、バルブなどの付帯装置が必要である。

15.5 代表的な適用例

• プレス

• 成形装置

• 大型クランプ

• リフト

• 建設機械

• 切断装置

• 圧縮装置

15.6 設計上の考慮事項

• 作動圧力

• 流量

• シリンダー内径

• ロッド径

• 作動油温度

• 油漏れ

• シール寿命

• 作動油清浄度

• 圧力衝撃

• 安全弁

16. 回転・直線運動変換

16.1 定義

回転・直線運動変換とは、モーターの回転運動を直線運動へ変換する方式である。

16.2 代表的な機構

• ボールねじ

• リードスクリュー

• ラック・アンド・ピニオン

• ベルトとプーリー

• チェーンとスプロケット

• スライダークランク機構

• カムとフォロワー

16.3 ボールねじ駆動

ボールねじは、回転運動を精密な直線運動へ変換する。

移動距離は、次のように計算できる。

x = n × L

各記号の意味は次のとおりである。

• x：移動距離

• n：ねじの回転数

• L：ねじリード

16.4 主な特徴

• 高い位置決め精度

• 高い伝達効率

• 大きな軸方向荷重への対応

• バックラッシの調整が可能

• 長いねじでは危険回転速度と座屈の検討が必要

16.5 代表的な適用例

• CNC送り軸

• サーボアクチュエーター

• プレス

• 精密位置決め装置

• 昇降軸

17. 回転・往復運動変換

17.1 定義

回転・往復運動変換とは、連続的な回転入力を、反復する直線往復運動へ変換する方式である。

17.2 代表的な機構

• スライダークランク機構

• 偏心カム

• スコッチヨーク機構

• カムとフォロワー

• 偏心軸

• リンク機構

17.3 主な特徴

• 一つの回転駆動源から反復運動を生成できる。

• 高い反復速度を実現できる。

• ストロークと速度プロファイルが幾何学的に決定される。

• ストローク両端で速度が0になる。

• リンクとピンに繰返し荷重が作用する。

17.4 代表的な適用例

• プレス

• スライサー

• 往復ポンプ

• シールバー

• 切断装置

• 包装機

18. 回転・揺動運動変換

18.1 定義

回転・揺動運動変換とは、連続回転運動を、制限された角度範囲内で繰り返す回転運動へ変換する方式である。

18.2 代表的な機構

• クランクロッカー機構

• 4節リンク

• カムロッカー

• 偏心リンク

• ウォームとセクターギア

18.3 主な特徴

• 制限角度運動を繰り返し生成できる。

• 機械的同期が容易である。

• リンク長さによって出力角度と速度が決定される。

• 関節のすきまと疲労を検討する必要がある。

18.4 代表的な適用例

• ワイパー

• スイングノズル

• フラップ

• 製品方向転換装置

• 揺動式洗浄装置

19. 連続・間欠運動変換

19.1 定義

連続・間欠運動変換とは、連続的に回転する入力を、一定の移動と停止が繰り返される出力運動へ変換する方式である。

19.2 代表的な機構

• ゼネバ機構

• カムインデクサー

• バレルカム

• ラチェットとポール

• エスケープメント

• クラッチとブレーキ

19.3 主な特徴

• 移動と停止を機械的に生成する。

• 複数工程の同期に適している。

• 停止位置で高い剛性を確保できる。

• 高速運転時には衝撃と振動を検討する必要がある。

19.4 代表的な適用例

• インデックステーブル

• 自動組立機

• 充填機

• 包装機

• タレット装置

• 多工程加工機

20. 歯車および減速機駆動

20.1 定義

歯車および減速機駆動とは、回転速度とトルクを必要な比率へ変換する方式である。

20.2 基本関係

理想的な減速機における速度とトルクの関係は、次のように表す。

ω_out = ω_in / i

T_out = T_in × i × η

各記号の意味は次のとおりである。

• ω_in：入力速度

• ω_out：出力速度

• T_in：入力トルク

• T_out：出力トルク

• i：減速比

• η：減速機効率

20.3 代表的な減速機

• 平歯車減速機

• ヘリカル減速機

• ウォーム減速機

• 遊星減速機

• サイクロイド減速機

• ハーモニック減速機

• ベベル減速機

20.4 主な特徴

• 速度を低下させてトルクを増加できる。

• 回転方向を変更できる。

• 軸の配置を変更できる。

• バックラッシと効率損失が発生する。

• 精度と剛性は減速機の種類によって異なる。

21. ベルトおよびチェーン駆動

21.1 定義

ベルトおよびチェーン駆動とは、離れた二つの軸の間で回転運動と動力を伝達する方式である。

21.2 代表的な方式

• 平ベルト

• Vベルト

• タイミングベルト

• ローラーチェーン

• サイレントチェーン

21.3 主な特徴

• 比較的長い軸間距離で動力を伝達できる。

• 構造が単純である。

• タイミングベルトとチェーンは同期伝達が可能である。

• ベルトは衝撃と振動を吸収できる。

• 張力調整と摩耗管理が必要である。

21.4 代表的な適用例

• コンベヤ

• 搬送軸

• 多軸同期駆動

• 包装機

• ローラー駆動

• 昇降装置

22. カム駆動

22.1 定義

カム駆動とは、カム形状によってフォロワーの変位、速度、加速度を機械的に決定する方式である。

22.2 主な特徴

• 複雑な運動法則を機械的に実現できる。

• 高い繰返し性を確保できる。

• 複数の運動を一つの軸に同期できる。

• 運動を変更する場合はカム形状を変更する必要がある。

• 接触応力と摩耗が発生する。

22.3 代表的な適用例

• 包装機

• 充填機

• バルブ駆動

• 製品搬送

• クランプ装置

• 高速組立機

22.4 設計上の考慮事項

• カムプロファイル

• 圧力角

• フォロワー寸法

• 接触応力

• 潤滑

• フォロワーの離脱

• ばね予圧

• 振動と騒音

23. リンク駆動

23.1 定義

リンク駆動とは、複数の剛体リンクと回転関節または直線関節を組み合わせて、必要な運動を生成する方式である。

23.2 代表的なリンク機構

• 4節リンク

• クランクロッカー機構

• スライダークランク機構

• パンタグラフ

• トグルリンク

• 平行リンク

23.3 主な特徴

• 一つの入力から複雑な出力運動を生成できる。

• 機械的同期が可能である。

• 外部制御なしで定められた軌跡を繰り返せる。

• リンク長さと関節位置によって運動が決定される。

• すきまと組立公差の影響を受ける。

23.4 代表的な適用例

• ドア開閉装置

• クランプ

• 製品搬送アーム

• 折り畳み機構

• 包装機

• プレス

24. 圧電駆動

24.1 定義

圧電駆動とは、電圧を印加した際に圧電材料が微小変形する現象を利用して運動を発生させる方式である。

24.2 主な特徴

• 非常に小さな変位を精密に制御できる。

• 応答速度が非常に速い。

• 高い分解能を得られる。

• ストロークが短い。

• 高電圧駆動が必要になる場合がある。

• ヒステリシスとクリープが発生する場合がある。

24.3 代表的な適用例

• 精密位置決めステージ

• 光学レンズ調整

• 半導体製造装置

• 超音波振動子

• 精密バルブ

• 微小流量制御

25. 熱および形状記憶駆動

25.1 定義

熱駆動とは、温度変化による材料の膨張、収縮、相変化を利用して運動を発生させる方式である。

25.2 代表的な方式

• バイメタル

• 形状記憶合金

• ワックスアクチュエーター

• 熱膨張アクチュエーター

• 熱空圧アクチュエーター

25.3 主な特徴

• 構造を単純化できる場合がある。

• センサー機能とアクチュエーター機能を兼用できる。

• 応答速度が比較的遅い。

• 温度と環境条件の影響を受ける。

• 繰返し寿命と冷却時間が重要である。

25.4 代表的な適用例

• 温度調節バルブ

• 熱式リレー

• 自動換気装置

• 小型ロック装置

• 過熱保護装置

26. 振動発生駆動

26.1 定義

振動発生駆動とは、回転偏心、電磁力、圧電効果、空圧などを利用して反復的な振動運動を発生させる方式である。

26.2 代表的な方式

• 偏心モーター

• 電磁振動機

• 圧電振動子

• 空圧振動機

• カム振動機

26.3 主な特徴

• 反復する小さな変位を発生させる。

• 供給、整列、分離作業に効果的である。

• 共振を意図的に利用できる。

• フレームへ振動が伝達される場合がある。

• 騒音と締結部の緩みを検討する必要がある。

26.4 代表的な適用例

• 振動フィーダー

• ふるい機

• 製品整列装置

• 振動シュート

• 圧縮装置

• 洗浄装置

27. ダイレクトドライブと間接駆動

27.1 ダイレクトドライブ

ダイレクトドライブとは、アクチュエーターの出力を、減速機や運動変換機構を介さず、直接負荷へ伝達する方式である。

代表的な例は次のとおりである。

• ダイレクトドライブモーター

• リニアモーター

• トルクモーター

• モーターローラー

長所

• バックラッシが少ない。

• 伝達効率が高い。

• 構造が単純である。

• 応答性が高い。

• 保守部品が少ない。

制約

• 大型モーターが必要になる場合がある。

• 費用が高くなる場合がある。

• 負荷慣性がモーターへ直接作用する。

• 熱管理が重要である。

27.2 間接駆動

間接駆動とは、減速機、ベルト、チェーン、ねじ、リンクなどを介して運動を伝達または変換する方式である。

長所

• 速度とトルクを容易に変更できる。

• モーターの設置位置を柔軟に決定できる。

• さまざまな運動形態へ変換できる。

• 大きな荷重を駆動しやすい。

制約

• バックラッシが発生する場合がある。

• 伝達効率が低下する。

• 摩耗部品が増加する。

• 構造が複雑になる。

28. 単一駆動と多重駆動

28.1 単一駆動

一つのアクチュエーターで、一つの軸または一つの機構を駆動する方式である。

主な特徴

• 機械構造と制御構造が単純である。

• 個別軸の調整が容易である。

• 故障箇所を特定しやすい。

• アクチュエーター数が増加する場合がある。

28.2 多出力駆動

一つの駆動源で、複数の軸または機構を同時に駆動する方式である。

代表的な方式

• 歯車による分配

• タイミングベルトによる分配

• チェーンによる分配

• カムシャフト

• ラインシャフト

• リンクによる分配

主な特徴

• 機械的同期が可能である。

• モーター数を削減できる。

• システム全体が複雑になる場合がある。

• 個別軸の調整が難しい。

• 一部の故障がシステム全体に影響する場合がある。

28.3 独立多軸駆動

各軸に個別のアクチュエーターを使用し、電子的に同期させる方式である。

主な特徴

• 軸ごとの運動変更が容易である。

• 電子カムと位置補正を使用できる。

• 配線と制御が複雑になる。

• 同期制御性能が重要である。

29. 複合およびハイブリッド駆動

29.1 定義

複合駆動とは、二つ以上の運動発生方式を組み合わせ、それぞれの長所を利用する方式である。

29.2 代表的な組み合わせ

• サーボモーターと空圧シリンダー

• 電動軸と機械式カム

• 油圧シリンダーと電動位置調整軸

• モーター駆動とばね復帰

• 空圧駆動と機械式ロック

• 重力搬送と電動ストッパー

29.3 主な特徴

• 必要機能に応じて駆動特性を組み合わせられる。

• 精密位置決めと大きな力を分離して実現できる。

• エネルギー効率を向上できる場合がある。

• 構造と制御が複雑になる場合がある。

• 異なる駆動源の応答差を考慮する必要がある。

29.4 代表的な適用例

• 空圧クランプとサーボ搬送軸

• 電動昇降軸と機械式落下防止装置

• サーボプレスとばね緩衝装置

• 空圧プッシャーと電動コンベヤ

• 油圧プレスとサーボ位置調整装置

30. 運動発生方式別の代表的な適用比較

31. 運動発生方式の選定基準

31.1 必要な運動

• 直線運動が必要か

• 回転運動が必要か

• 往復運動が必要か

• 制限角度運動が必要か

• 間欠運動が必要か

• 微小運動が必要か

31.2 荷重条件

• 必要な力

• 必要なトルク

• 移動質量

• 回転慣性

• 衝撃荷重

• 偏心荷重

• 垂直荷重

31.3 性能条件

• 最高速度

• 加速度

• 位置決め精度

• 繰返し精度

• 整定時間

• サイクルタイム

• デューティ比

31.4 制御条件

• 単純なON・OFF制御

• 速度制御

• 位置制御

• トルク制御

• 力制御

• 多軸同期制御

• センサーフィードバック

31.5 環境条件

• 水および洗浄剤

• 高温および低温

• 粉じん

• 腐食

• 爆発の危険

• クリーン環境

• 食品との接触

• 防水および防じん

31.6 保守条件

• 潤滑の必要性

• シール交換

• ベルト張力調整

• チェーンの伸び

• ブレーキ摩耗

• 空気漏れ

• 油圧漏れ

• モーターの交換性

31.7 経済性

• 初期設置費用

• エネルギー費用

• 保守費用

• 消耗品費用

• 制御装置費用

• 予想寿命

• 稼働停止による損失

32. エネルギー効率の観点による比較

32.1 電動駆動

電動駆動は、一般的に速度制御と位置制御が容易であり、必要なときだけエネルギーを使用する運転が可能である。

サーボモーターでは、減速時の回生エネルギーを電源へ戻したり、回生抵抗器で消費したりすることができる。

32.2 空圧駆動

空圧アクチュエーターは構造が単純であるが、圧縮空気を生成する過程で大きなエネルギー損失が発生する。

さらに、空気漏れ、減圧、排気の過程でもエネルギー損失が発生する。

32.3 油圧駆動

油圧システムは高い力密度を提供するが、ポンプを連続運転するとエネルギー損失と発熱が増加する場合がある。

可変容量ポンプやアキュムレーターを使用することで、効率を改善できる。

32.4 重力および弾性力駆動

重力とばねを利用する方式は、エネルギー消費の低減に効果的である。

ただし、運動を繰り返すためには、位置エネルギーまたは弾性エネルギーを再び蓄積する必要がある。

33. 安全設計

33.1 電動駆動

• 過電流保護

• 過速度保護

• ブレーキ

• セーフトルクオフ

• 非常停止

• エンコーダー異常監視

33.2 空圧駆動

• 残圧の除去

• 落下防止

• パイロットチェックバルブ

• 速度制御バルブ

• 圧力制限

• シリンダーの意図しない突出防止

33.3 油圧駆動

• リリーフバルブ

• ホース破裂防止弁

• チェックバルブ

• 圧力監視

• シリンダー落下防止

• 油漏れ検出

33.4 重力およびばね駆動

• 予期しない復帰の防止

• ばね破損対策

• 落下防止

• 機械式ストッパー

• ロック装置

• 蓄積エネルギーの解放手順

34. 設計検証項目

34.1 駆動力の検証

• 必要な力

• 必要なトルク

• 起動荷重

• 加速荷重

• 摩擦荷重

• 最大外部荷重

• 安全率

34.2 速度の検証

• 最高速度

• 最低速度

• 応答時間

• 加速時間

• 減速時間

• サイクルタイム

34.3 位置の検証

• 移動距離

• 位置決め精度

• 繰返し精度

• バックラッシ

• 整定時間

• 原点復帰の繰返し精度

34.4 熱的検証

• モーター温度

• ソレノイド温度

• 作動油温度

• 空圧排気温度

• 減速機温度

• 許容連続運転時間

34.5 構造検証

• 軸強度

• 座屈

• ねじり

• リンク応力

• 軸受寿命

• フレーム変形

• 振動と共振

34.6 寿命検証

• モーター軸受寿命

• シリンダーシール寿命

• ばね疲労

• ベルト疲労

• チェーン摩耗

• カム接触疲労

• リンクピン摩耗

35. 主な関連数式

重力

F_g = m × g

重力は、質量と重力加速度の積である。

傾斜方向の力

F_slope = m × g × sinθ

傾斜方向の力は、質量、重力加速度、傾斜角度の正弦値の積である。

ばね力

F = k × x

ばね力は、ばね定数と変形量の積である。

直線加速力

F = m × a

加速に必要な力は、質量と加速度の積である。

回転加速トルク

T = J × α

回転加速トルクは、慣性モーメントと角加速度の積である。

回転動力

P = T × ω

回転動力は、トルクと角速度の積である。

シリンダー推力

F = P × A

シリンダー推力は、流体圧力とピストン有効面積の積である。

実際のシリンダー推力

F_actual = P × A × η

実際の推力は、理論推力に効率を乗じて計算する。

減速機出力速度

ω_out = ω_in / i

出力速度は、入力速度を減速比で割った値である。

減速機出力トルク

T_out = T_in × i × η

出力トルクは、入力トルク、減速比、効率の積である。

ねじ移動距離

x = n × L

ねじ移動距離は、回転数とねじリードの積である。

36. 結論

運動発生方式によるモーション分類は、機械がどのような経路に沿って移動するかを分類するものではない。

運動に必要な力とトルクがどのような原理によって生成され、どのように伝達され、必要な運動形態へどのように変換されるかを分析するものである。

手動、重力、弾性力による駆動方式は、構造が単純でエネルギー消費も少ないが、制御可能な範囲と発生可能な力が制限される場合がある。

電動モーター駆動は、回転運動を効率的に生成し、減速機、ベルト、ねじ、リンクなどを通じてさまざまな運動形態へ変換できる。特にサーボモーターは、位置、速度、トルクを精密に制御する必要がある自動化装置に適している。

空圧駆動は、高速で単純な往復運動に適しており、製品プッシャー、クランプ、排出装置などに広く使用される。一方、空気の圧縮性によって、精密な位置制御と速度制御には限界がある。

油圧駆動は、小型アクチュエーターから大きな力を発生できるため、プレス、成形装置、建設機械などに適している。ただし、油漏れ、汚染、発熱、保守の問題を考慮する必要がある。

リニアモーター、圧電アクチュエーター、形状記憶合金などの駆動方式は、それぞれ高速直線運動、超精密微小運動、小型熱駆動装置に適している。

また、ダイレクトドライブはバックラッシと伝達損失を低減できるが、大型アクチュエーターが必要になる場合がある。間接駆動は、速度とトルクを柔軟に変換できるが、すきま、摩耗、伝達損失が増加する場合がある。

したがって、運動発生方式を選定する際には、次の要素を総合的に検討する必要がある。

• 必要な運動形態

• 必要な力とトルク

• 速度と加速度

• 移動距離と回転角度

• 位置決め精度

• 繰返し精度

• サイクルタイム

• エネルギー効率

• 安全性

• 騒音と振動

• 清浄性と衛生性

• 保守性

• 設置費用

• 運転費用

• 予想寿命

優れたモーション設計とは、単に強力な駆動源を選択することではない。

必要な運動を最も適したエネルギー源とアクチュエーターによって発生させ、最小限の損失とすきまで負荷へ伝達し、要求された速度と位置において、安全かつ安定して反復できるシステムを構築することである。

運動発生方式は、機械構造、制御システム、エネルギー消費、保守要件、装置全体の寿命を総合的に決定する基本的なモーション設計基準である。