タイミングベルトリニアモジュールモーターの選定

必要な速度、加速度、位置決め性能、タイミングの耐用年数を達成するには、適切なモーターを選択することが不可欠です。ベルトリニアモジュール。モーターのサイズが小さすぎると、加速が遅くなったり、位置決めエラーが発生したり、モーターのアラームが発生したり、動作が不安定になったりする可能性があります。モーターが大きすぎると、実際のシステム性能が向上することなく、コスト、慣性、設置スペースが増加する可能性があります。

したがって、モーターの選択は、モーター出力だけではなく、完全な動作要件に基づいて行う必要があります。主な要素には、移動質量、移動速度、加速度、プーリ径、伝達効率、負荷慣性モーメント、デューティサイクル、取り付け方向、制御精度などが含まれます。

Servo and stepper motor selection for a timing belt linear module — トルク、速度、加速度、負荷慣性に基づいて、タイミングベルトリニアモジュール用のサーボモーターとステッピングモーターを選択します。

1. タイミングベルトモジュールモーター選択の主なパラメータ

サーボモーターまたはステッピングモーターを選択する前に、次のアプリケーションパラメーターを確認する必要があります。

可搬質量と総移動質量
水平または垂直設置
必要な最高速度
加減速時間
有効移動距離
位置決めと再現性の要件
タイミングプーリーピッチ径
変速比（ギアボックスを使用する場合）
動作周期とデューティ比
外部抵抗と摩擦
モーター取付可能スペース
保持ブレーキが必要かどうか

モーターは、動作サイクル全体を通じて十分な速度とトルクを提供する必要があります。同じ出力の 2 つのモーターの定格トルク、ピークトルク、定格速度、ローター慣性が大きく異なる可能性があるため、モーターの定格出力だけをチェックするだけでは十分ではありません。

2. サーボモーターまたはステッピングモーター?

サーボモーターとステッピングモーターはどちらもタイミングベルトリニアモジュールとともに使用できますが、異なる動作条件に適しています。

選考基準	サーボモーター	ステッピングモーター
制御方法	エンコーダフィードバックによる閉ループ制御	通常、開ループまたは閉ループのステップ制御
高速性能	中高速域での良好なトルク性能	速度が上がるとトルクが大幅に低下する
加速度	高加速と短いサイクルタイムに最適	中程度の加速に適しています
位置決めの信頼性	エンコーダフィードバックにより位置偏差を検出	開ループシステムは過負荷になるとステップを失う可能性があります
動作のスムーズさ	広い速度範囲でスムーズな動作	特定の速度で共振が発生する可能性があります
料金	モーター、ドライバー、試運転コストが高い	システムコストの削減
代表的な用途	高速自動化、頻繁な起動と停止、正確な位置決め	軽負荷、低速、コスト重視のアプリケーション

サーボモーターを選択する場合

タイミングベルトモジュールが以下を必要とする場合、通常はサーボモーターが推奨されます。

高い移動速度
急加速・急減速
頻繁な往復運動
短いサイクル時間
高い測位信頼性
重いペイロードまたは変動するペイロード
閉ループ位置監視
多軸同期

ステッピングモーターを選択する場合

ステッピングモーターは、アプリケーションが次のような場合に適しています。

比較的低速
適度な加速
軽くて安定した荷重
シンプルなポイントツーポイント位置決め
動作周波数が低い
厳しいコスト制限

損失ステップを許容できないアプリケーションの場合は、従来の開ループステッピングシステムの代わりに閉ループステッピングモーターを検討する必要があります。

3. 総移動質量を決定する

移動質量はワークに限定されません。これには、タイミングベルトキャリッジとともに移動するすべてのコンポーネントが含まれている必要があります。

m = メートル_{ペイロード}+m_{キャリッジ}+m_治具+m_ケーブル+m_他の

どこ：

メートル総移動質量 (キログラム単位)
メートル_{ペイロード}ワークピースまたは製品の質量です
メートル_治具グリッパー、ツーリング、取り付けプレートが含まれます
メートル_ケーブル可動ケーブル、ホース、ケーブルキャリアを含む

治具、ケーブル、工具を無視すると、特に急加速時にモーターのトルクが不十分になる可能性があります。

4. 必要な直線力の計算

水平設置

水平タイミングベルトモジュールの場合、必要な直線力は以下を使用して推定できます。

F = ma + F_f+F_e

どこ：

F必要な線形力 (ニュートン)
メートル総移動質量 (キログラム単位)
ある必要な加速度 (メートル/秒の 2 乗)
F_fは摩擦抵抗と伝達抵抗です
F_e追加の外力は

一定速度では加速度はゼロです。モーターは摩擦と外部抵抗のみを克服する必要があります。ただし、加速時には慣性力が総荷重の最大部分を占める場合があります。

垂直設置

上向きの垂直運動には重力を含める必要があります。

F = m(g + a) + F_f+F_e

どこgは重力加速度であり、およそ9.81m/s².

下降動作の場合、モーターは重力負荷を制御し、移動質量を安全に減速する必要があります。垂直用途でも回生エネルギーが発生する可能性があるため、サーボドライブと制動抵抗器をチェックする必要があります。

5. 必要なプーリートルクの計算

線形力を計算した後、それをプーリートルクに変換します。

T_滑車= F × r / h

どこ：

T_滑車必要なプーリートルク (ニュートンメートル)
Fは必要な直線力です
rプーリーのピッチ半径 (メートル単位)
またはは総合的な機械伝達効率です

計算には外側プーリ半径ではなくピッチ半径を使用する必要があります。通常、タイミングベルトの製造元またはプーリーの図面からピッチ直径が提供されます。

ギアボックスが取り付けられている場合、モーターのおおよそのトルクは次のとおりです。

T_モーター= T_滑車/ (i×n_g)

どこ：

私は減速比であり、モーター速度を出力速度で割ったものとして定義されます。
または_gはギアボックスの効率です

ギアボックスはモーターのトルク要件を軽減し、反射負荷容量を増加させますが、出力速度も低下し、バックラッシュが発生する可能性があります。

6. 必要なモーター速度の計算

プーリーの回転速度は、必要な線形速度とプーリーのピッチ直径によって決まります。

n_滑車= 60v / (πD)

どこ：

n_滑車1分あたりの回転数で表したプーリー速度です
v必要な線速度 (メートル/秒)
Dプーリーのピッチ直径 (メートル単位)

ギアボックスを使用する場合:

n_モーター= n_滑車×私

計算されたモーター速度は、選択したモーターの連続動作速度範囲内にとどまる必要があります。最高速度が計算値より高いという理由だけでモータを選定しないでください。その速度で利用可能なトルクも、モーターのトルク-速度曲線から検証する必要があります。

7. 負荷イナーシャの確認

負荷イナーシャは加速応答性、位置決め安定性、サーボチューニングに影響を与えます。ダイレクトドライブタイミングプーリーの場合、移動質量の等価慣性は次のように近似できます。

J_リニア= mr²

完全な負荷慣性には以下も含まれる必要があります。

ドライブプーリー慣性
従動プーリーの慣性モーメント
タイミングベルトのイナーシャ
カップリングのイナーシャ
ギアボックス出力慣性
その他の回転部品

ギアボックスを使用する場合、モーターシャフトに反映される負荷慣性は次のようになります。

J_{反映された}= J_負荷/i²

慣性比は次のように計算できます。

慣性比＝J_{反映された}/J_モーター

一般に慣性比が低いほど、サーボ調整が容易になり、応答が速くなります。許容可能な比率は、サーボシステム、機械の剛性、動作プロファイル、および制御要件によって異なります。モーターメーカーの推奨慣性比を必ず確認してください。

8. 加速トルクの確認

モーターは線形負荷と回転コンポーネントの両方を加速する必要があります。回転加速トルクは次のとおりです。

T_ACC= J_合計×

どこ：

J_合計モーターシャフトに反映される総慣性です。
ある角加速度 (ラジアン/秒の 2 乗)

モーターのピークトルクは、加速中に必要な合計トルクより大きくなければなりません。

T_{必要なピーク}= T_負荷+T_ACC

激しい運動プロファイルの場合、加速トルクは定速走行中に必要なトルクよりもはるかに大きくなる場合があります。

9. 連続トルク、ピークトルク、モーター出力を確認します。

3 つの異なるモーター機能をチェックする必要があります。

連続トルク

連続トルクによって、繰り返しサイクル中にモーターが過熱することなく動作できるかどうかが決まります。これは、サイクル全体の二乗平均平方根トルクを使用してチェックする必要があります。

T_RMS= √[(T₁²t₁ + T₂²t₂ + ... + Tₙ²tₙ) / (t₁ + t₂ + ... + tₙ)]

計算された RMS トルクは、モーターの定格連続トルク未満にとどまる必要があります。

ピークトルク

加速時、減速時、非常停止時、一時的な外部負荷時にピークトルクが必要となります。必要なピークトルクは、モーターの許容瞬間トルクを下回っていなければなりません。

モーター出力

機械的出力は、直線力または回転トルクのいずれかを使用して推定できます。

P = Fv / η

または：

P = に

モーター出力は予備的な選択に役立ちますが、最終的なサイジングはトルク、速度、慣性、およびデューティサイクルに基づいて決定する必要があります。同じ定格出力の 2 つのモーターでも、同じピークトルクや動的応答が得られない場合があります。

10. 適切な安全率を選択する

通常、安全係数は、計算の不確実性、負荷の変動、摩擦の変化、長期にわたる摩耗を補償するために適用されます。

安定した水平用途の場合、トルク安全率は約1.3～1.5最初の参照として使用できます。以下の場合には、より高いマージンが必要になる場合があります。

縦軸
高加速
頻繁な起動と停止
衝撃または変動荷重
不確実な摩擦
長期連続運転
過酷な動作環境

また、モーターが大きすぎるとローターの慣性が増大し、動的性能が低下する可能性があるため、過度に大きな安全率も避けるべきです。

11. 垂直軸用ブレーキモーターの選定

タイミングベルトリニアモジュールを垂直に設置する場合や、電源を切った後に負荷が落下する可能性がある傾斜地に設置する場合は、電磁保持ブレーキ付きモーターの使用を強くお勧めします。

ブレーキは主に、機械が停止したり電源が失われたときに軸を保持するために使用されます。通常は、すべての動作サイクル中に動的停止ブレーキとして使用するべきではありません。

縦軸については、次のことを確認してください。

ブレーキ保持トルクは静重力トルクより大きい
ブレーキには適切な安全マージンが含まれています
制御シーケンスはモーターが停止した後にのみブレーキを作動させます。
ブレーキが解除される前にモーターが保持トルクを発生します
サーボドライブは下降動作中の回生エネルギーを管理できます
重荷重の場合はカウンターバランスまたはガススプリングを考慮します

安全性が重要な垂直システムの場合、機械的ロック装置、落下防止機構、または冗長保護も必要になる場合があります。

12. モーター取付方向

タイミングベルトリニアモジュールは、利用可能な機械スペースに応じて、さまざまなモーター取り付け配置をサポートできます。

取付方向	特徴	一般的な使用方法
直接インライン実装	モーターシャフトはカップリングを介してドライブプーリーに直接接続されています	シンプルな構造で高い伝達効率
左側取り付け	モーターはベルトまたはギアボックストランスミッションを使用してモジュールの横に配置されます	軸方向の設置スペースが限られている機械
右側取り付け	左側取り付けのミラー配置	ケーブルの取り回しや機械のレイアウトに応じて選択
底部または折りたたみ取り付け	モーターはモジュールの下またはモジュールと平行に取り付けられます	コンパクトな装置と密閉型機械