ピックアンドプレイス用タイミングベルトモジュール

ピックアンドプレイスの自動化には、数千または数百万の動作サイクルにわたる迅速な移動、安定した位置決め、および信頼性の高い取り扱いが必要です。システムがコンベア間でコンポーネントを搬送する場合でも、工作機械に部品をロードする場合でも、製品を別のステーションに仕分ける場合でも、直線運動軸は生産速度と装置の信頼性に直接影響します。

タイミングベルトリニアモジュールは、高い移動速度、高速加速、長いストローク能力、および柔軟な多軸統合を兼ね備えているため、ピックアンドプレース装置で広く使用されています。多くのネジ駆動システムと比較して、ベルト駆動モジュールは、ネジの臨界速度に制限されることなく、長距離にわたって頻繁な往復運動を実行できます。

この記事では、タイミングベルトリニアモジュールが自動ハンドリングシステムにどのように適用されるか、またシステム設計時にペイロード、サイクルタイム、加速度、再現性、グリッパーの統合、センサー制御をどのように評価する必要があるかを説明します。

Timing belt linear modules for high-speed pick and place automation — タイミングベルトリニアモジュールは、自動ピックアンドプレースシステムに高速往復運動と柔軟な多軸統合を提供します。

タイミングベルトリニアモジュールがピックアンドプレイスに適している理由

一般的なピックアンドプレイスプロセスには、いくつかの繰り返しアクションが含まれます。

ピックアップ位置に移動します。
停止して目標位置を確認します。
グリッパーまたはバキュームツールを起動します。
ワークを配置位置に移動します。
ワークを解放します。
次のサイクルに戻ります。

このシーケンスは連続的に繰り返される可能性があるため、直線軸は非常に短い時間内に加速、移動、減速、停止する必要があります。タイミングベルトモジュールは、移動キャリッジが長い回転ネジではなく軽量の歯付きベルトによって駆動されるため、この動作パターンに特に適しています。

主な利点は次のとおりです。

高い線形速度で短い転送時間を実現します。
急加速と急減速。
低い移動質量。
ストロークが長くとれます。
静かでスムーズな往復運動。
柔軟な水平、垂直、多軸設置。
サーボモーター、グリッパー、センサーと簡単に統合できます。

高速往復運動

ピックアンドプレース装置は通常、固定位置間を短時間繰り返し移動して動作します。モジュールは、各生産シフト中に数百または数千の往復サイクルを完了することがあります。

タイミングベルトモジュールでは、モーターが駆動プーリーを回転させます。プーリーはベルトの歯と噛み合い、回転運動をキャリッジの直線運動に変換します。ベルトとプーリーのシステムは回転慣性が比較的低いため、軸はサーボコマンドに迅速に応答できます。

達成可能な動作速度は、いくつかの要因によって決まります。

モーターの定格速度と利用可能なトルク。
ドライブプーリーの直径。
伝達率。
ベルトの種類とベルトピッチ。
ストロークの長さ。
ペイロードと移動質量。
ガイドレールの容量。
必要な停止距離。

カタログ最大速度を実際の動作速度として自動的に使用しないでください。実際の設計では、振動、整定時間、ペイロードの安定性、加速と減速に必要な距離も考慮する必要があります。

サイクルタイムの計算

サイクルタイムは、ピックアンドプレイスの自動化において最も重要なパラメータの 1 つです。機器が 1 分または 1 時間あたりに処理できる部品の数が決まります。

完全なサイクルには次のものが含まれる場合があります。

加速時間。
定速走行時間。
減速時間。
位置整定時間。
グリッパーの閉じ時間。
受け取り確認時間。
グリッパーの開放時間。
移動時間を戻します。

合計サイクル時間は次のように表すことができます。

T_サイクル= T_{アウトバウンド}+T_選び出す+T_戻る+T_リリース+T_落ち着く

移動距離が長い場合、動作プロファイルは通常台形になります。キャリッジは選択された速度まで加速し、一定速度で移動し、目標位置に到達する前に減速します。

ストロークが短い場合、プログラムされた最大速度に到達するのに十分な距離が軸にない場合があります。この場合、動作プロファイルは加速と減速のみからなる三角形になります。

サイクルタイムを見積もる場合、エンジニアはストロークを最大速度で割るのではなく、実際の動作プロファイルを使用する必要があります。最高速度が非常に高いモジュールでも、移動距離が短く加速度が制限されている場合には、サイクルタイムが大幅に短縮されない可能性があります。

ペイロードと移動質量

可搬質量には搬送されるワーク以外のものも含まれます。完全な移動質量には以下が含まれている必要があります。

ワーク重量。
グリッパーまたはバキュームツール。
取り付けプレート。
空気圧バルブと継手。
ビジョンカメラまたは検査センサー。
ケーブルキャリア可動部。
追加の垂直軸（取り付け時）。

水平軸の場合、モーターは主に加速力、摩擦、外部抵抗を克服します。簡略化された力の計算は次のとおりです。

F = m × a + F_摩擦+F_外部の

どこ：

Fは必要な直線駆動力です。
メートルは総移動質量です。
ある必要な加速度です。

垂直方向の動きの場合、重力も考慮する必要があります。

F = m × a + m × g + F_摩擦

垂直タイミングベルト軸には、通常、動力損失時にキャリッジが落下するのを防ぐために、ブレーキモーターまたは別の保持機構が組み込まれている必要があります。

加速と減速

高い加速は転送時間を短縮できますが、過剰な加速は望ましくない影響を引き起こす可能性があります。

ベルトの伸び。
キャリッジの振動。
グリッパ内でのワークの移動。
より高いモータートルク要求。
ベアリングとガイドの負荷が増加します。
停止後の整定時間が長くなります。
機械部品の耐用年数が減少します。

したがって、選択した加速度では、生産速度と機械的安定性のバランスを取る必要があります。繊細な、液体で満たされた製品、または緩く保持されている製品は、通常、硬い金属コンポーネントよりもスムーズな加速を必要とします。

S 字曲線の動作プロファイルは、機械的衝撃を軽減するためによく使用されます。加速度を急激に変化させるのではなく、S 字カーブのプロファイルがジャークを制御し、発進時と停止時のスムーズな移行を実現します。

繰返し位置決め精度

多くのピックアンドプレースアプリケーションでは、極めて高い絶対位置精度は必要ありませんが、一貫した再現性が必要です。キャリッジは、サイクルごとに同じピックアップ位置と配置位置に戻る必要があります。

再現性は次の影響を受けます。

ベルトの歯の噛み合い。
ベルトの張り具合。
ベルトの固さ。
プーリーの加工品質。
リニアガイドの精度。
サーボチューニング。
エンコーダの解像度。
ペイロードのバリエーション。
フレーム剛性。
取付面の平面度。

一般的な材料の搬送、梱包、仕分けでは、タイミングベルトモジュールは通常、十分な再現性を提供します。ミクロンレベルの位置決め、精密な塗布、または高精度の加工を必要とするアプリケーションには、ボールねじまたはリニアモーターシステムの方が適している可能性があります。

安定した再現性を維持するには、モジュールを堅固で水平な構造に取り付ける必要があります。ベルトの張力、プーリーの調整、ガイドの潤滑もメンテナンススケジュールに従ってチェックする必要があります。

グリッパーの統合

エンドエフェクターは、製品と直接対話するコンポーネントです。一般的な処理ツールには次のものがあります。

空気圧式平行グリッパー。
電動グリッパー。
真空吸盤。
磁気グリッパー。
フォークタイプのハンドリングツール。
カスタム機械器具。

グリッパーはキャリッジに直接取り付けることも、二次垂直軸に取り付けることもできます。取り付けプレートは、移動質量を可能な限り低く保ちながら、十分な剛性を提供する必要があります。

統合設計では次のことを考慮する必要があります。

グリッパーの重量と重心。
必要な開閉時間。
エアホースとケーブルの配線。
ワーク検出。
衝突クリアランス。
工具交換の要件。
緊急解除動作。

空圧ツールの場合、バルブとエアラインの応答時間が合計サイクル時間に影響を与える可能性があります。バルブをグリッパーの近くに配置することで、エア量を減らし、応答速度を向上させることができます。

真空処理の場合、システムには真空確認と真空喪失検出が含まれている必要があります。これにより、ワークを確実にピックアップする前に軸が離れることを防ぎます。

センサーと制御の統合

センサーは位置基準、安全保護、プロセス確認を提供します。一般的なタイミングベルトのピックアンドプレース軸には次のものが含まれます。

ホームポジションセンサー。
正および負のリミットセンサー。
ワーク有無センサー。
グリッパー開閉センサー。
真空用圧力スイッチです。
衝突または過負荷の検出。
サーボエンコーダのフィードバック。

ホームセンサーは、起動後に再現可能なマシン基準を確立します。リミットセンサーにより、キャリッジが使用可能なストロークを超えて移動するのを防ぎます。二次保護として機械式エンドストップを取り付けることもできます。

サーボモーターは、プログラム可能な速度、加速度、正確な位置決めが必要な場合によく使用されます。サーボドライブはPLCと通信し、モーションコントローラーまたはパルスコマンド、フィールドバス通信、またはリアルタイムモーションネットワークを介した産業用コンピュータ。

一般的な制御シーケンスは次のとおりです。

対象のワークが存在することを確認してください。
キャリッジをピックアップ座標に移動します。
グリッパーをアクティブにします。
ピックアップが成功したことを確認します。
配置座標へ移動します。
ワークを解放します。
リリースを確認します。
次のピックアップ位置に戻ります。

インターロックは、グリッパーの状態、ワークピースの状態、または下流ステーションの準備ができていないときに移動を防止する必要があります。

多軸ピックアンドプレースシステム

タイミングベルトモジュールを多軸システムに組み合わせて、より複雑なハンドリングタスクを実現できます。

単軸トランスファー

1 つの水平軸が 2 つの固定ステーション間で製品を搬送します。この配置は、コンベアへの積み込み、梱包、部品の仕分けでは一般的です。

XZ ピックアンドプレースシステム

XZ システムは、水平搬送軸と垂直昇降軸を組み合わせています。水平軸はステーション間を移動し、垂直軸はグリッパーを下げて製品をピックアップまたは配置します。

XY位置決めシステム

XY システムは、水平面上の複数の座標間で製品を移動します。トレイローディング、仕分け、検査、パレット整理に適しています。

XYZガントリーシステム

XYZ システムは、XY プラットフォームに垂直方向の動きを追加します。 3 次元作業領域内の複数のピックアップおよび配置位置にアクセスできます。

デュアルドライブガントリー

ワイドガントリーシステムでは、2 つの同期されたタイミングベルト軸を使用してクロスビームの両側を駆動する場合があります。ガントリーのスキューを防ぐために、電子同期または機械的な伝達シャフトが使用されます。

多軸システムを設計する場合、エンジニアは結合された移動質量を評価する必要があります。たとえば、下軸に上軸、モーター、グリッパー、ワークピース全体を搭載する必要がある場合があります。

一般的なピックアンドプレイスアプリケーション

タイミングベルトリニアモジュールは、以下を含む幅広い自動ハンドリングプロセスで使用されます。

CNC マシンの積み下ろし。
コンベア間での部品の受け渡し。
電子部品の取り扱い。
梱包とカートンへの積み込み。
バッテリーセルとモジュールの移送。
トレイのロードとアンロード。
視覚検査の位置決め。
製品の仕分けと分類。
組立ラインでの材料供給。
パレタイジングとデパレタイジング。
医療消耗品の取り扱い。
倉庫と物流の自動化。

タイミングベルトモジュールの選択要素

適切なモジュールは、ワークピースの重量だけではなく、完全な動作要件に従って選択する必要があります。

選択パラメータ	設計上の考慮事項
脳卒中	ピックアップ距離、設置距離、安全クリアランス、オーバートラベル許容値が含まれます。
ペイロード	ワークピース、グリッパー、ツーリング、取り付けプレート、および追加の可動コンポーネントを計算します。
スピード	カタログの最大速度だけではなく、必要な生産サイクルを使用してください。
加速度	モーターのトルク、ベルトの負荷、ワークの安定性、整定時間を確認してください。
再現性	モジュールの機能をピックアップおよび配置の許容誤差と一致させます。
取付方向	軸が水平、垂直、または斜めに動作するかどうかを確認します。
許容モーメント	オーバーハンググリッパー、オフセット荷重、重心を評価します。
環境	ほこり、湿気、温度、クリーンルームの要件、化学物質への曝露を考慮してください。
デューティサイクル	1分間のサイクル数と総運転時間を確認します。
モーターとコントローラー	サーボ電源、ブレーキ、エンコーダ、通信方式を選択します。

許容モーメントと荷重オフセット

グリッパーは多くの場合、キャリッジの中心から離れた位置に取り付けられます。これにより、ガイドシステムにピッチ、ヨー、またはロールのモーメントが発生します。

ペイロードが公称耐荷重を下回っている場合でも、過度の荷重オフセットによりガイドブロックに過負荷がかかる可能性があります。したがって、重心をできるだけキャリッジに近づける必要があります。

長い工具や重い工具の場合、エンジニアは以下を使用できます。

幅広のモジュール。
2 本の平行なガイドレール。
大きめの馬車。
デュアル同期モジュール。
外部サポート構造。

設置と試運転

高速往復動作には正しい取り付けが不可欠です。取り付け面は平らで剛性があり、歪みがないことが必要です。

試運転中:

モジュールがしっかりと取り付けられていることを確認してください。
プーリーのアライメントとベルトの張力を確認します。
キャリッジをストローク全体にわたってゆっくりと移動させます。
センサーの位置と信号ロジックを確認します。
グリッパーとケーブルベアのクリアランスを確認してください。
低速、低加速から始めてください。
モーションパラメータを徐々に増加させます。
振動、騒音、モーター負荷、整定動作を監視します。
ピックアップと配置の再現性を検証します。
実際の積載量で連続サイクルテストを実行します。

サーボパラメータは、実際に取り付けられたツーリングとワークピースを使用して調整する必要があります。アンロードされた軸を調整すると、ペイロードが追加された後に不安定な動作が発生する可能性があります。

継続稼働のためのメンテナンス

ピックアンドプレース装置は継続的に稼働することが多いため、予防保守が特に重要です。

定期的なメンテナンスには次のものが含まれます。

ベルトの磨耗や歯の状態を検査します。
ベルトの張りをチェック中。
ドライブプーリーとアイドラプーリーの検査。
リニアガイドの潤滑。
キャリッジの留め具を確認します。
ケーブルキャリアとエアホースの検査。
ほこりやプロセスの破片を掃除します。
ホームセンサーとリミットセンサーのテスト。
異音・振動の監視。
サーボアラームとモーター負荷の傾向を確認します。

位置の変動、騒音、またはモーター電流の増加は、ベルトの緩み、ガイドの汚れ、プーリーの摩耗、または機械的な位置ずれを示している可能性があります。

タイミングベルトモジュールと他の駆動システムの比較

ドライブの種類	主な強み	一般的な制限
タイミングベルト	高速、ロングストローク、高速往復運動。	精密ねじシステムに比べて剛性と絶対精度が低くなります。
ボールねじ	高い位置決め精度、剛性、推力。	速度とストロークはスクリューの臨界速度によって制限される場合があります。
ギアラック	ロングストローク、重荷重、拡張可能なストローク。	バックラッシュとギアの噛み合い制御に注意が必要です。
リニアモーター	非常に高い加速性、高速性、そしてダイレクトなドライブレスポンス。	コストが高く、熱と制御の要件がより厳しい。

一般的な自動搬送、梱包、仕分け、機械への積載では、タイミングベルトモジュールが速度、ストローク、コスト、統合の柔軟性の最適なバランスを提供することがよくあります。

結論

タイミングベルトリニアモジュールは、高速往復運動、長い移動距離、柔軟な多軸統合を必要とするピックアンドプレイスオートメーションにとって効果的なモーションソリューションです。低い移動慣性により急速な加速が可能になる一方、ベルトドライブは長いボールネジに伴う重大な速度制限なしに、より長いストロークをサポートします。

システム設計が成功するかどうかは、十分な公称ペイロードを備えたモジュールを選択するだけでは決まりません。エンジニアは、完全な移動質量、サイクルタイム、加速度プロファイル、位置決め再現性、負荷オフセット、グリッパー応答、センサーロジック、および取り付け方向を評価する必要があります。

適切に選択、設置、保守すると、タイミングがベルトリニアモジュール機械の積み込み、コンベア移送、梱包、仕分け、組み立て、その他のハイサイクルマテリアルハンドリング用途に安定した効率的な動作を提供できます。