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モーターの選択リニアモジュール単に高いワット数を選択するだけの問題ではありません。モーター、ドライブ、フィードバック システム、および機械的トランスミッションは、1 つのモーション システムとして連携して動作する必要があります。
モーターが小さすぎると、必要な加速度に到達できなかったり、繰り返しサイクル中に過熱したりする可能性があります。モーターが不必要に大きいと、機械を改善することなく、ローターの慣性が増大し、コストが増大し、チューニングの難易度が増大する可能性があります。正しいリニアモジュールモーターの選択したがって、推奨されるモーター サイズではなく、動作要件から始まります。
このガイドでは、サーボ モーターとステッピング モーターのどちらを選択するか、モーターのトルクと速度をモジュールに合わせる方法、エンコーダーのフィードバックが重要な場合、駆動システムを最終決定する前に確認する必要がある制御の詳細について説明します。
モーターカタログではなく、モーション要件から始める
モーターのタイプを比較する前に、軸が実際に何を行う必要があるかを定義します。
最低限の情報には次のものが含まれる必要があります。
- リニアモジュール駆動タイプ
- 脳卒中
- 移動する質量
- 水平、垂直、またはその他の取り付け方向
- 最高速度
- 加速と減速
- 移動時間と完了サイクル時間
- 必要な位置決め精度と再現性
- 外部プロセス力
- 必要な保持動作
- 利用可能なコントローラと通信インターフェース
選択ルール:モーターは完全な動作プロファイルから選択する必要があります。可搬質量だけではモーターのサイズは決まりません。
サーボかステッパー: 最初の決定
サーボ モーターとステッピング モーターはどちらも産業用リニア モジュールを駆動できますが、動作特性は異なります。
| 選考基準 | サーボモーター | ステッピングモーター |
|---|---|---|
| フィードバック | エンコーダフィードバック付き通常閉ループ | システムに応じて開ループまたは閉ループにすることができます |
| 高速性能 | 広い速度範囲にわたって一般的に強力です | 利用可能なトルクは通常、速度が上昇するにつれてより急速に減少します |
| 加速度 | 高い動的応答に最適 | 適切なサイズであれば中程度のダイナミクスに適しています |
| 位置確認 | エンコーダはモーターの位置を継続的に報告します | 開ループ システムは、命令されたステップから位置を推測します。クローズドループバージョンはフィードバックを追加します |
| 制御の複雑さ | サーボドライブとチューニングが必要 | 多くの場合、特に開ループ システムではより単純になります |
| 料金 | 通常はもっと高い | 通常、同等の基本的なアプリケーションではこれより低くなります |
| 一般的なフィット感 | 高速、高加速、動的位置決め、座標軸 | 中程度の速度の位置決め、インデックス作成、コスト重視の自動化 |
通常、サーボモーターがより良い選択である場合
あリニアモジュールサーボモーターアプリケーションで次のことが必要な場合には、多くの場合、この方法が好まれます。
- 高い加速と減速
- 広い動作速度範囲
- 頻繁な方向転換
- 閉ループ位置監視
- 高いサイクルレート
- 多軸の協調動作
- トルクまたは力の監視
- より高度なモーションプロファイル
サーボ システムは、安定した制御を維持しながら軸を動的限界近くで動作させる必要がある場合に特に役立ちます。
サーボ システムが動的モーションを適切に処理できる理由
エンコーダはモーターの位置と速度をドライブに継続的に報告します。サーボ コントローラーは実際の動きとコマンドを比較し、それに応じてモーター電流を調整します。
この閉ループ動作により、ドライブは追従エラーを修正し、加速、定速動作、減速全体にわたってモーター トルクを調整できます。
ステッピングモーターがより良い選択となる場合
あリニアモジュールステッピングモーターアプリケーションに予測可能な負荷、中程度の速度、および比較的単純な位置決め要件がある場合、実用的なソリューションとなります。
典型的なアプリケーションには次のようなものがあります。
- インデックス作成
- 治具の調整
- 軽いピックアンドプレイス動作
- 分注装置
- 検査位置決め
- 低中速自動化
ステッパー システムは、制御構造がシンプルで、アプリケーションによっては停止時の保持トルクが役立つため、魅力的です。
オープンループステッパーシステムの主な制限
開ループ ステッピング コントローラーは、モーターが指令されたすべてのステップに従うことを前提としています。負荷が利用可能なトルクを超えたり、加速が強すぎる場合、コントローラーが実際のシャフト位置を直接認識せずにモーターが同期を失う可能性があります。
このため、ステッピング モーターを低速保持トルクだけで選択してはなりません。
閉ループステッピングモーターとは何ですか?
閉ループ ステッピング システムは、エンコーダ フィードバックをステッピング モーターとドライブに追加します。コントローラーは、指令された動作と測定されたモーター位置を比較し、システム設計に応じて位置エラーを検出または修正できます。
これにより、開ループ動作に伴う不確実性の一部が軽減され、負荷の変化下でも使用可能なパフォーマンスが向上します。
ただし、閉ループ ステッパーは自動的にサーボ モーターと同等になるわけではありません。モーターの構造、トルクと速度の動作、制御アルゴリズム、および動的能力は依然として異なります。
便利な決定方法:「サーボ」、「ステッパー」、または「閉ループ」というラベルからではなく、必要なモーション性能からモーターを選択してください。
モーターの出力だけではサイジング方法にならない
モーターの出力はトルクと速度に関係します。
P = T × ω
どこ：
- P= ワット単位の機械的出力
- T= トルク (N・m)
- おお= 角速度 (rad/s)
同様の定格出力を持つ 2 つのモーターは、トルク速度曲線、ローター慣性、および最大トルク能力が大きく異なる場合があります。したがって、実際の動作点を確認せずに「400W サーボ」を選択するのは不完全です。
モーター速度をリニアモジュールのトランスミッションに合わせる
機械式トランスミッションは、モーターの回転がどのように線形速度になるかを決定します。
ボールねじモジュール
ネジリードの場合pおよび希望の線速度v:
n = 60 × v ÷ p
どこv単位はm/s、p単位はm/rev、nは回転数です。
0.5 m/s で移動する 10 mm 親ネジには 3000 rpm が必要です。モーターとネジの両方がその速度に適している必要があります。
タイミングベルトモジュール
モーターの速度は、プーリーのピッチ円周とモーターとプーリーの間の減速比によって決まります。プーリーが大きいほど、1 回転あたりにより多くのベルトを動かしますが、同じ直線力に対してより多くのモーター トルクが必要になります。
ラックアンドピニオンモジュール
ピニオンのピッチ直径とギアボックス比によって、モーター速度と直線移動の関係が決まります。ロングストロークラックシステムでは、多くの場合、モーター速度、出力トルク、反射慣性のバランスをとるためにギア減速が使用されます。
モーターのトルクを完全な動作サイクルに合わせる
モーターのトルクは静負荷を超える必要があります。
重要なトルク成分には次のものがあります。
- 直線抵抗を克服するために必要なトルク
- 加速に必要なトルク
- スクリュー、カップリング、プーリー、ギアボックスの回転慣性
- 縦軸の重力トルク
- 外部プロセスの力
- 予圧とシール抵抗
トルク プロファイルが計算されたら、次の両方を確認します。
- 最大トルク加速と短期間の需要に対応
- RMS または連続トルク全サイクルにわたる熱適合性を実現
RMS トルクが高すぎると、1 つの動作を正常に完了できるモーターでも、連続生産中に過熱する可能性があります。
トルク-速度曲線を無視しないでください
利用可能なモータートルクは速度に応じて変化します。
これは、一般に速度が上がると使用可能なトルクが大幅に低下するステッピング モーターにとって特に重要です。サーボ モーターには、連続動作領域とピーク動作領域も定義されています。
すべての候補モーターについて、次のことを確認します。
- 必要な最高速度はモーターの動作範囲内です。
- 必要な最大トルクはその速度で得られます。
- 連続トルクまたは RMS トルクは連続動作領域内に留まります。
- 選択したドライブは、必要な電流と電圧を供給できます。
慣性マッチング: 機械的負荷が制御に重要な理由
モーターは、それ自体のローターとリニア モジュールから反映される慣性の両方を加速する必要があります。
ボールねじの場合、移動質量はねじ軸の等価回転慣性として表すことができます。
Jトランス= m × (p ÷ 2π)2
次に、ネジ、カップリング、その他のコンポーネントによる回転慣性が追加されます。
ギアボックスを使用すると、モーターに反映される負荷慣性が減速比の 2 乗で減少します。
過大なモーターが逆効果になる理由
通常、モーターが大きいほど、ローターの慣性も大きくなります。必要なサイズを大幅に上回るモーターを選択した場合、この余分な慣性により加速効率が低下し、システムの調整がより困難になる可能性があります。
これが、モーターのサイジングでは、単に適合する最大のフレームを選択するのではなく、適切な動作マージンを目指す必要がある理由の 1 つです。
普遍的な慣性比はありません
許容可能な負荷対モーター慣性比は、モーター、ドライブ、制御方法、および動作プロファイルによって異なります。すべてのサーボ システムに 1 つの固定ルールを適用するのではなく、実際のモーター メーカーのサイジング基準に従ってください。
エンコーダの選択: フィードバックから何を伝える必要があるか?
エンコーダは「解像度」の数値を提供するだけではありません。これにより、コントローラーがモーターまたは軸に関してどのような情報を観察できるかが決まります。
インクリメンタルエンコーダ
インクリメンタル エンコーダは、パルスまたはデジタル カウントを通じて位置の変化を報告します。多くのシステムでは、電源投入後、マシン基準を確立するためにホーミング ルーチンが必要です。
アブソリュートエンコーダ
アブソリュートエンコーダは、エンコーダとドライブのアーキテクチャに応じて、制御システムがパワーサイクル後にモータの位置を認識できるように、一意の位置基準を保持または再構築します。
これにより、特定のホーミング要件を軽減または排除でき、再起動時間や軸位置保持が重要な機械に役立ちます。
シングルターンおよびマルチターンフィードバック
1 回転絶対フィードバックにより、1 回転内のシャフト位置が特定されます。マルチターン システムは回転数も追跡するため、多くの回転にわたってモーターの位置を保持する必要がある場合に役立ちます。
エンコーダの分解能は線形精度と同じではありません
高解像度エンコーダにより、コントローラは非常に小さなモータ角度増分を表現できますが、モジュール内の機械的エラーは自動的に除去されません。
ボールねじのリード誤差、ベルトの弾性、バックラッシュ、ガイドの真直度、構造的なたわみ、熱膨張はすべて、モーターシャフトと実際のツール位置の間に存在する可能性があります。
非常に要求の厳しいアプリケーションでは、直接線形フィードバックを使用して、キャリッジの位置をより直接的に測定できます。
重要な違い:エンコーダの解像度はフィードバックの粒度を表します。システムの位置決め精度は、完全な機械的および制御の結果を表します。
モーターエンコーダまたはリニアスケール?
モーター側のフィードバックにより、コントローラーはモーターの回転とトランスミッションの形状から線形位置を計算します。これは多くの自動化アプリケーションにとって一般的であり、効果的です。
軸に沿って取り付けられたリニアスケールにより、キャリッジの位置を直接測定できます。したがって、ネジ、ベルト、トランスミッションの影響など、モーターの後に発生する位置エラーを検出できます。
直接的な線形フィードバックは高精度システムでは貴重ですが、コスト、設置要件、制御の複雑さが増加します。すべての線形モジュールに必要なわけではありません。
垂直リニアモジュールには別のモーターチェックが必要
垂直軸では、重力がドライブに継続的に影響を与えます。
モーターは以下についてチェックする必要があります。
- 上向き加速トルク
- 連続重力負荷
- 下向きの再生動作
- 要件を停止したままにする
- ブレーキ能力
- 停電時の安全な動作
モーターブレーキが必要になるのはどのような場合ですか?
ブレーキは、モーターの電源が遮断された後も垂直荷重を所定の位置に保持する必要がある場合に一般的に考慮されます。ただし、モーター保持ブレーキには特定の定格と目的の機能があります。
意図しない降下により安全上の危険が生じる可能性がある場合、機械には標準のモーター ブレーキのみに依存するのではなく、追加の安全定格の機械的措置が必要になる場合があります。
ギアボックスがモーターの選択に与える影響
ギアボックスは出力トルクを増加させ、モーターに反映される負荷慣性を減らすことができますが、同時に速度を変更し、独自の機械的特性を追加します。
ギアボックスを使用する考えられる理由は次のとおりです。
- 出力トルクの向上
- 負荷対モータ慣性比の改善
- 小型モーターをより適切な速度で動作させることが可能
- 設置形状の調整
トレードオフには次のようなものがあります。
- 効率の損失
- バックラッシュ
- 追加の慣性
- ノイズ
- 料金
- メンテナンス
制御インターフェースはマシンを構築する前に重要です
機械的に適切なモーターであっても、機械コントローラーと統合されていない場合は、間違った選択となる可能性があります。
軸がコマンドをどのように受信するかを確認します。
- パルスと方向
- アナログ速度またはトルク指令
- 産業用イーサネットまたはフィールドバス
- 組み込みのインデックス作成コマンド
- モーションコントローラーネットワーク
また、システムに同期動作、電子ギア、カム、位置合わせ、トルク制御、または協調補間が必要かどうかも確認してください。
位置制御、速度制御、トルク制御が必要ですか?
位置制御
ほとんどの直線位置決めアプリケーションは位置制御を使用します。コントローラは、目標位置と動作プロファイルを指令します。
速度制御
速度制御は、別の機構が位置またはプロセスのタイミングを制御している間に、軸が定義された速度を維持する必要がある場合に役立ちます。
トルク制御
トルク制御は、プレス、張力、クランプ、または接触プロセスに使用できます。ただし、伝達効率、摩擦、機械的コンプライアンスが関係に影響を与えるため、モーターのトルクは実際の線形プロセス力と必ずしも一致するとは限りません。
重要な力の測定には、依然として専用のロードセルまたは力センサーが必要な場合があります。
サーボチューニングはモーター選択の一部です
技術的に十分な大きさのモーターであっても、システムの調整が難しい場合には、パフォーマンスが低下する可能性があります。
サーボ調整は次の影響を受けます。
- 負荷イナーシャ
- 構造剛性
- カップリング剛性
- ベルトの弾性
- バックラッシュ
- 共振
- 加速プロファイル
サーボゲインを増やすだけでは、柔軟な機械システムを剛性の高い高精度軸に変えることはできません。機械設計と制御設計は相互にサポートしなければなりません。
リニアモジュールタイプ別モータ選定
ボールねじリニアモジュール
ネジのリードと必要な線速度に対するモーター速度を確認してください。次に、加速トルク、スクリュー慣性、臨界スクリュー速度、および垂直保持要件を検証します。
サーボ モーターは高速の高精度位置決めに一般的ですが、ステッピング モーターは負荷が予測可能な中程度の速度のアプリケーションに適しています。
タイミングベルトリニアモジュール
タイミングベルトモジュール多くの場合、高い線形速度と加速度で動作します。モーターの選択では、プーリーの直径、ベルトの張力、移動質量、および頻繁な方向反転を考慮する必要があります。
多くの場合、サーボ モーターは高サイクルのガントリー システムやピック アンド プレース システムで有利ですが、ステッピング モーターは低ダイナミックの搬送軸で適切に動作します。
ラックアンドピニオンモジュール
長い移動距離とより高い負荷では、ギアボックスの選択が重要になることがよくあります。モーターのトルク、ギア比、ピニオン径、必要な速度を合わせて評価する必要があります。
リニアモーターモジュール
リニアモーターは力を直接生成し、回転モーターからリニアへの伝達を必要としません。この場合、サイジングは、回転モーターのトルクではなく、連続力、ピーク力、速度、加速度、熱負荷、およびフィードバックに焦点を当てます。
実用的なモーター選択シーケンス
- 完全な動作プロファイルを定義します。ストローク、速度、加速度、減速度、滞留時間が含まれます。
- 実際の移動質量を計算します。必要に応じて、ツーリング、上部軸、およびケーブル キャリアを含めます。
- 必要な直線力を決定します。重力、摩擦、プロセス力が含まれます。
- 負荷をモーターのトルクと速度に変換します。
- 反射慣性を計算します。
- ピークトルクとRMSトルクを確認します。
- サーボ、ステッパー、閉ループステッパーのオプションを比較します。
- フィードバックの種類を選択します。
- ブレーキと垂直軸の要件を確認してください。
- モーターのトルク-速度曲線を確認してください。
- 駆動電流、電圧、回生能力を確認します。
- コントローラの通信機能やモーション機能を確認します。
- リリース前に機械的および電気的インターフェイスを検証してください。
よくあるモーター選択の間違い
ワット数だけで選ぶ
モーター出力は、実際の動作速度で必要なトルクが得られるかどうかを示すものではありません。
保持トルクからステッパーを選ぶ
保持トルクは停止時に測定され、高速回転トルクを表すものではありません。
「安全のため」のオーバーサイズ
モーターが大幅に大きくなると、慣性とコストが増加する可能性があり、調整が複雑になる可能性があります。エンジニアリングマージンは役に立ちます。制御されていないオーバーサイジングは禁止されています。
垂直荷重を無視した場合
垂直軸では、重力、制動、保持、回生を考慮する必要があります。
エンコーダの分解能が位置決め精度と等しいと仮定
完全な直線軸には、透過誤差、構造誤差、熱誤差が依然として含まれています。
ドライブとコントローラーの互換性を無視する
モーターはシステムの一部にすぎません。ソリューションが正常に統合されるかどうかは、駆動電圧、通信プロトコル、I/O、制動抵抗器、および制御モードによって決まります。
モーターのマッチングのためにどのような情報を提供する必要がありますか?
QRXQ がリニア モジュール用のモーターを推奨するには、以下を提供します。
- モジュールの種類と伝送
- 脳卒中
- 総移動質量
- 取付方向
- 最高速度
- 加速または移動時間
- 完全なサイクルタイム
- 外力
- 精度と再現性の要件
- 好みのサーボまたはステッパーのブランド
- コントローラと通信プロトコル
- ブレーキ要件
- 毎日の動作時間とデューティサイクル
最終的なモーターは、次の 4 つのことを同時に満たす必要があります。トルク、速度、慣性および制御の要件。これらのいずれかが無視されると、軸は簡単なテスト中に動作しても、安定した運用パフォーマンスを提供できない可能性があります。
適切に適合したモーターは、モジュールに適合する最大のモーターである必要はありません。実際のマシンサイクル全体にわたって、十分なマージン、安定した制御、および許容可能な熱挙動を備えた必要な動作を提供する必要があります。
