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ロボットはその動作範囲内では非常に柔軟性がありますが、多くの自動化システムはその動作範囲を超えた動作を必要とします。ロボットは生産ラインに沿って数メートル移動する必要がある場合があり、ピックアンドプレースセルでは調整された XYZ 移動が必要な場合があり、AGV ドッキングステーションでは治具やエンドエフェクターを位置決めするためにコンパクトな直線軸が必要な場合があります。
ここがロボット工学における線形モジュール重要になる。ロボットの移動軸として機能することができます。デカルトロボット構造物、ガントリー軸、パレタイジング軸、またはメインロボットの到達範囲と柔軟性を拡張する二次位置決めユニット。
このガイドでは、ロボット オートメーションでリニア モジュールがどのように使用されるか、各アプリケーションがモーション システムに何を要求するか、エンジニアがモジュールを選択する前に速度、可搬質量、剛性、同期、安全性、統合をどのように評価すべきかについて説明します。
ロボットに直線軸が必要な理由
6 軸ロボットは優れた角度自由度を提供しますが、その到達範囲はアームの形状によって制限されます。直線軸を追加すると、ロボット全体またはエンドエフェクタがより広い作業領域を移動できるようになります。
を追加する一般的な理由リニアモジュール含む：
- 機械または生産ラインに沿ってロボットの到達範囲を拡張
- 1台のロボットで複数のステーションにサービスを提供
- 複数の固定ロボットの必要性を削減
- 長距離移動のピックアンドプレース動作の作成
- デカルトまたはガントリー ロボット構造の構築
- エンドエフェクターをロボットアームから独立して移動
- 位置決め治具、トレイ、センサー、またはツール
システムレベルのルール:ロボットの直線軸は、ワークピースだけでなく、移動システム全体からサイズを決定する必要があります。ロボットの質量、工具、ケーブル、固定具、加速度はすべて負荷に影響します。
ロボットの 7 番目の軸: 作業範囲の拡張
ロボットの 7 番目の軸は、レールまたはモジュールに沿ってロボット ベースを運ぶ直線移動軸です。これにより、1 台のロボットが複数の機械、パレット、または作業領域にアクセスできるようになります。
一般的な用途としては以下のようなものがあります。
- 機械の手入れ
- 溶接セル
- 大型部品の組み立て
- マテリアルハンドリング
- 検査
- マルチステーションのロードとアンロード
なぜロボットの質量が機械設計を変えるのか
直線軸は、ロボット グリッパー内のペイロードだけでなく、ロボット全体を運ぶ必要があります。可搬質量が比較的控えめなロボットであっても、基本質量が大きく、アームの動作中にかなりの動的モーメントを生成する可能性があります。
したがって、直線軸は以下についてチェックする必要があります。
- ロボットとツーリングの総質量
- 重心位置
- ダイナミックなひっくり返る瞬間
- レール軸の加速度
- 非常停止負荷
- ベースとフレームの剛性
長距離移動により優先ドライブが変化する
ロボットの移動軸が非常に長い場合は、ラックアンドピニオンやその他のスケーラブルなロングストロークトランスミッションが好まれることがよくあります。これは、スクリューベースのシステムが長さの増加に伴い臨界速度とサポート要件によってますます制限されるためです。
より短く、より高精度のロボット移動軸の場合は、ボールねじまたはその他のコンパクトなリニア モジュール構造が依然として適切な場合があります。
ピックアンドプレイスセル: サイクルタイムは最大速度を超えます
ピックアンドプレイスの自動化は、リニア モジュールの最も一般的なアプリケーションの 1 つです。システムは、単一軸、XY テーブル、XZ 配置、または完全な XYZ デカルト構造を使用できます。
これらのシステムは通常、次のことを重視します。
- 高加速
- 移動時間が短い
- 繰り返し可能な停止位置
- 低い移動質量
- 高速方向反転
- 安定したエンドエフェクターの動き
最高速度よりも加速が重要な理由
ストロークが短い場合、軸は長時間最高速度を維持できない可能性があります。その場合、加速と減速がサイクルタイムを支配します。
カタログ最大速度は高いが動的動作が不十分なモジュールは、より効率的に加速、整定、反転するわずかに遅い軸を上回るパフォーマンスを発揮しない可能性があります。
エンドエフェクタの質量を含める必要があります
移動負荷には、グリッパー、真空ツール、センサー、ケーブル、およびピッキングされた製品が含まれます。グリッパーがキャリッジから遠くに取り付けられている場合、結果として生じるモーメント荷重がペイロード自体よりも重要になる可能性があります。
XYZ デカルト ロボットとガントリー システム
リニアモジュールは、各軸が 1 つの直線方向の動作を制御するデカルトロボット構造に組み合わせることができます。
一般的な構成には次のものがあります。
- XY位置決めテーブル
- XZ ピックアンドプレースユニット
- XYZ直交ロボット
- Dual-X ガントリー システム
- ロングスパンパレタイジングガントリー
下の軸は上の軸を運びます
XYZ システムでは、X 軸が Y 軸、Z 軸、モーター、エンドエフェクター、ケーブル、ワークピースを一緒に動かす必要がある場合があります。
これにより、階層的なサイズ設定の問題が発生します。
ツールの外側からのサイズ。Z 軸は工具を運び、Y 軸は Z と工具を加えたものを運び、X 軸は完全な YZ アセンブリを運ぶことができます。
クロスビームの剛性が重要
ガントリー システムでは、2 つのサポート間のビームが、Y または Z キャリッジの重量や加速中にたわむ可能性があります。これは、位置決め、振動、整定時間に影響します。
したがって、幅広のガントリーは、単にアルミニウムの梁で接続された 2 つの強力な直線モジュールとしてではなく、構造システムとして評価される必要があります。
デュアルドライブガントリーには同期が必要
大きなガントリーでは、2 つの平行駆動 X 軸が使用される場合があります。これにより負荷分散が改善され、幅広いクロスビームがサポートされますが、同期要件が発生します。
両側が一緒に動かないと、ブリッジがラックになったりねじれたりする可能性があります。
同期は機械的または電子的で行うことができます
機械的同期では、共通のシャフトまたはトランスミッションを使用して両側をリンクする場合があります。電子同期では 2 つのモーターを使用し、制御システムを通じてそれらの位置を調整します。
電子デュアルドライブ システムでは、以下について慎重に考慮する必要があります。
- ホーミング戦略
- 両側の位置合わせ
- エンコーダのフィードバック
- サーボチューニング
- フレーム剛性
- 非常停止動作
デュアルドライブ ガントリーでは、機械的なアライメントの不良を補うために制御同期に依存してはなりません。
パレタイジング: リーチ、積載量、繰り返し
パレタイジングの自動化では、多くの場合、長い移動、大きな作業範囲、中程度または重いペイロードの繰り返しの移動が必要になります。
線形モジュールは次の目的で使用できます。
- 複数のパレット位置に沿ってロボットを拡張する
- デカルト パレタイジング システムの作成
- 移動レイヤー処理ツール
- 空のパレットまたは合紙を配置します
- 1 台のロボットから複数のコンベアにサービスを提供する
デューティサイクルが重要
パレタイジング システムは、何千回もの繰り返しサイクルで長時間動作する可能性があります。モジュールは、ピークペイロードだけでなく、ベアリングの寿命、ドライブの摩耗、潤滑、モーターの熱負荷、ケーブルキャリアの寿命についてもチェックする必要があります。
ペイロードが大きいとモーメント荷重が発生します
ボックス、トレイ、またはグリッパーにより、かなりのオーバーハング荷重が発生する可能性があります。幅広のツールでは、総質量がモジュールの公称積載質量の範囲内であっても、ピッチ モーメントとヨー モーメントが発生する可能性があります。
ロボットのエンドエフェクター動作用のリニアモジュール
すべての直線軸がロボット ベースを移動する必要があるわけではありません。コンパクトなモジュールをロボット上またはロボットの近くに取り付けて、エンドエフェクターに制御された線形自由度を追加できます。
例としては次のものが挙げられます。
- 調整可能なグリッパー間隔
- ツール拡張
- 直線的な押し込みまたは挿入
- カメラまたはセンサーの調整
- パーツセンタリング機構
- 可変ピッチハンドリングシステム
エンドエフェクターの軸を軽く保つ
ロボットの手首に 1 キログラムが追加されるごとに、利用可能なペイロードのマージンが減少し、慣性が増加します。したがって、コンパクトで軽量のリニア モジュールは、アーム端の動作に特に価値があります。
ロボットの許容手首荷重とモーメントの計算には、モーターの質量、ケーブル、ブラケットを含める必要があります。
AGV と AMR の統合: モバイル インターフェイスでの直線運動
AGV や AMR はステーション間で部品を輸送することがよくありますが、移動式プラットフォームには、荷物の移動、位置合わせ、提示のために線形位置決め機構が必要な場合があります。
考えられる用途は次のとおりです。
- トレイを機械に拡張する
- ドッキング位置の調整
- 治具の持ち上げまたは移動
- トートバッグやパレットの移動
- 位置決めセンサーまたはコネクター
モバイル システムには新たな制約が導入されています
AGV 統合軸は、多くの場合、限られたオンボード電力、移動中の振動、コンパクトな設置スペース、および繰り返しのドッキング許容誤差に対処する必要があります。
線形モジュールは以下について評価する必要があります。
- 低消費電力
- 必要に応じて機械的にロックまたは保持
- 輸送振動に対する耐性
- コンパクトなモーター配置
- 信頼性の高い原点およびリミットの検出
- ドッキングステーションとの安全なやり取り
ロボット直動軸駆動タイプ
| ドライブの種類 | 典型的なロボットの強度 | 一般的なトレードオフ |
|---|---|---|
| ボールねじ | 精度、剛性、推力 | ロングストロークの高速限界 |
| タイミングベルト | 高速、長距離移動、低移動質量 | トランスミッション剛性の低下 |
| ラックアンドピニオン | 非常に長い移動距離と拡張可能な長さ | ギアの噛み合いとバックラッシュの制御 |
| リニアモーター | 高い加速性とダイレクトドライブ精度 | コストと熱/制御要求の増加 |
ロボット軸のドライブを選択する方法
ボールねじを選択する場合
軸には、比較的コンパクトな移動距離、高い剛性、制御された推力、および優れた位置決め性能が必要です。
タイミングベルトを選ぶときは
軸には、中程度の精度要件を伴う、より長い移動、高速、素早いピックアンドプレース動作が必要です。
ラックアンドピニオンを選択する場合
ロボットは数メートル移動する必要があり、軸の長さは実際のネジの制限を超えて拡大する必要があります。
リニアモータを選択する場合
このアプリケーションには、非常に高い加速度、高速な後進、低いトランスミッション バックラッシュ、および高い動的位置決め性能が必要です。
これらはエンジニアリングの出発点であり、固定されたルールではありません。最終的な選択は、負荷、ストローク、速度、精度、環境、コストによって異なります。
サーボモーターは一般的ですが、必ずしも必須ではありません
ハイサイクルロボット軸では、閉ループ位置制御、強力な動的性能、および協調動作システムとの容易な統合を実現するため、サーボモーターがよく使用されます。
サーボ システムは、次の場合に特に役立ちます。
- 軸が急激に加速する
- ロボットと直線軸が同時に動く
- 位置を継続的に監視する必要がある
- 2軸同期が必要です
- マシンは調整補間を使用します
ステッピング モーターまたは閉ループ ステッピング モーターは、速度と動的要求が低い、より単純なインデックス軸や調整軸に適しています。
ロボットと直線軸の制御を調整する必要がある
ロボットの移動軸は、自動化アーキテクチャに応じていくつかの方法で制御できます。
軸は次のとおりです。
- 外部軸としてロボットコントローラに統合
- PLCによる制御またはモーションコントローラー
- 独立した位置決め軸として動作
- 他の軸と電子的に同期
統合された外部軸制御
ロボット コントローラーがリニア モジュールを追加の調整軸として扱う場合、ロボットの経路計画にベース移動を含めることができます。これは、ロボットとレールが一緒に移動する必要がある溶接、加工、アプリケーションに役立ちます。
独立した位置決め
機械の管理やパレットの搬送では、レールが固定ステーションに移動して停止し、ロボットがそのタスクを実行できるようにする場合があります。この場合、より単純な順序付けで十分な場合があります。
精度要件はロボットタスクによって異なります
すべてのロボット軸が同じ精度を必要とするわけではありません。
| 応用 | より重要なモーションメトリクス |
|---|---|
| 選んで配置する | 再現性と整定性 |
| 機械の手入れ | 再現可能なステーション位置決め |
| 検査 | 位置精度と幾何学的安定性 |
| 溶接 | 経路調整と構造剛性 |
| パレタイジング | 再現性、可搬質量、長期耐久性 |
多くのロボットの移動軸では、ステーションの座標は試運転中に教示できるため、絶対精度は再現性ほど重要ではありません。検査やプロセスパス制御などの他のアプリケーションでは、より厳密な絶対パフォーマンスが必要になる場合があります。
構造的な剛性がロボットの精度に影響する
リニア モジュールは、フレーム、レール ベース、またはロボットの台座がたわむため、ロボット ツールが移動しながらも、キャリッジを正確に位置決めできます。
重要な構造的要因には次のようなものがあります。
- ベース平面度
- レールサポートの間隔
- ロボット台座の剛性
- クロスビームのたわみ
- ツーリングオーバーハング
- 床または機械フレームの剛性
ロボットの精度はシステムの特性です。ツールの中心位置は、直線軸、ロボットの構造、取り付けフレーム、エンドエフェクターの組み合わせによって決まります。
ケーブルとユーティリティが隠れた負荷になる可能性がある
ロボット レールとガントリーでは、電源ケーブル、エンコーダ ケーブル、空気圧ライン、真空管、通信ケーブルが長距離にわたって運ばれることがよくあります。
ケーブル キャリアは次のような問題を引き起こす可能性があります。
- 可変ドラグ力
- 追加の移動質量
- 横荷重
- 振動
- 最小曲げ半径の制約
したがって、ケーブル システムは、軸の選択後に追加される付属品として扱うのではなく、モーターのサイジングと機械レイアウトの際に含める必要があります。
大型移動ロボットに伴う安全要件の変化
直線軸を追加すると、ロボットの動作範囲が拡大し、新たな危険が生じる可能性があります。可動レール、ロボットベース、およびツーリングは、固定ロボットが到達できない領域に入る可能性があります。
機械設計では次のことを考慮する必要がある場合があります。
- 移動制限
- 機械式エンドストップ
- 安全なホーミング
- 緊急停止距離
- 保護とアクセス制御
- 安全な速度と位置の監視
- 垂直軸保持
リニアモジュール自体は、完全な機械安全設計の一部にすぎません。
ハイサイクルオートメーションでは信頼性が重要
ロボット セルは、多くの場合、繰り返しサイクルで複数のシフトで動作します。試運転中に良好な性能を発揮するリニアモジュールは、長い生産期間にわたって精度と滑らかさを維持する必要もあります。
長期的な信頼性は以下によって決まります。
- 正しい荷重とモーメントのサイジング
- 適切な加速
- 潤滑
- ベルトまたはラックのメンテナンス
- ガイドの位置合わせ
- ケーブルキャリアの状態
- 環境汚染
- 予防検査
実用的なロボットの直線軸の選択プロセス
- ロボットタスクを定義します。ロボット レール、ピック アンド プレイス、ガントリー、パレタイジング、AGV インターフェイス、またはエンドエフェクターの動作?
- 完全な移動質量を計算します。ロボット、ツール、上部軸、ケーブルが含まれます。
- ストロークと作業範囲を定義します。
- サイクルタイム、速度、加速度を設定します。
- 可搬質量とモーメント荷重を計算します。
- ドライブの種類を選択します。
- モーターのトルク、速度、慣性を確認してください。
- 再現性と精度の要件を定義します。
- 構造的な剛性とサポートを確認します。
- ケーブルとユーティリティの配線を計画します。
- 制御アーキテクチャを選択します。
- 安全性と緊急停止動作を確認します。
- メンテナンスアクセスと予想されるデューティサイクルを確認します。
QRXQ がロボティクス アプリケーションに必要なもの
有用な線形モジュールの推奨事項については、以下を提供してください。
- ロボットまたは自動化のタイプ
- 必要ストローク
- 総移動質量
- 重心位置
- 最高速度と加速度
- 目標サイクルタイム
- 要求される再現性または位置決め精度
- 水平、垂直、またはガントリー配置
- 単軸または多軸構成
- モーターと制御の設定
- ケーブルとユーティリティの要件
- 作業環境
- 毎日の稼働時間
ロボット オートメーションの場合、最適なリニア モジュールとは、単に最大のペイロードや速度を持つモジュールではなく、タスクに適合するモジュールです。リーチ、動的荷重、剛性、同期、制御、耐用年数をすべて一緒に考慮する必要があります。
QRXQ は、完全な動作要件からロボットの直線軸とデカルト自動化システムを評価し、ボールねじ、タイミング ベルト、ラック アンド ピニオン、またはダイレクト ドライブ構造を実際のロボット タスクに適合させるのに役立ちます。
