タイミングベルトリニアモジュールを上下運動に使用する場合

タイミングベルトリニアモジュール垂直方向に設置することもできますが、垂直方向の動作は水平方向の動作よりも慎重に選択する必要があります。垂直軸では、モーターは上向きの動きでは重力に打ち勝ち、下向きの動きでは下降荷重を制御する必要があります。また、システムは、モーターが停止したとき、サーボの電力が失われたとき、またはタイミング ベルトが故障したときに、キャリッジとペイロードが落下するのを防ぐ必要があります。

このため、垂直タイミングベルトリニアモジュールには通常、ブレーキモーター、十分なモータートルク、適切な安全率、確実な落下防止策が必要です。ペイロードが重い場合や軸が高周波で動作する場合には、カウンターバランス装置も使用できます。

タイミングベルトリニアモジュールは垂直に設置できますか?

はい。タイミングベルトリニアモジュールピックアンドプレースシステム、包装機器、積み降ろし機械の垂直昇降軸として広く使用されています。ガントリーロボット、検査装置および自動生産ライン。

ただし、すべてのタイミング ベルト モジュールが自動的に垂直設置に適しているわけではありません。選択する前に、次の条件を確認する必要があります。

• タイミングベルトには十分な引張強度が必要です。
• モーターは重力に逆らって荷物を持ち上げるのに十分なトルクを提供する必要があります。
• モーターには電磁ブレーキが付いている必要があります。
• ガイド レールとキャリッジは、加えられる荷重とモーメントに耐える必要があります。
• 構造には、電源遮断保護および落下防止対策を組み込む必要があります。
• 選択した荷重は、モジュールの許容垂直荷重未満に保つ必要があります。
• 加速度、速度、ストローク、動作周波数を合わせて考慮する必要があります。

水平方向の定格荷重が高いモジュールは、垂直方向に設置すると、移動するアセンブリに重力が継続的に作用するため、許容荷重が大幅に低くなることがあります。

垂直設置と水平設置の違い

水平用途では、重力は主にリニアガイドによって支えられます。モーターは主に加速力、摩擦、外部プロセス抵抗を克服します。

垂直用途では、モーターはキャリッジ、工具、ペイロードの重量を継続的にサポートまたは制御する必要があります。したがって、上向きの加速に必要な力は大幅に大きくなります。

選考基準	横軸	縦軸
重力の影響	主にガイドが持ち歩きます	駆動システムに直接作用します
モーターブレーキ	通常はオプションです	通常は必須
電源オフのリスク	キャリッジは通常、所定の位置に留まります	キャリッジが落下する可能性があります
モーターのトルク	主に加速度と摩擦に基づく	重力、加速度、摩擦を含める必要があります
安全設計	標準のモーション保護	ブレーキ、機械的停止、および落下防止保護
カウンターバランス	ほとんど必要ありません	重い負荷や高サイクルの負荷に便利

垂直軸荷重の計算

垂直タイミング ベルト モジュールの移動質量には、顧客の積載量以上のものが含まれます。総移動質量には以下が含まれる必要があります。

• ワークまたは製品の重量
• 治具、グリッパー、またはツーリングの重量
• 移動台車の重量
• 取り付けられたセンサー、ケーブル、ブラケット
• 追加の移動機構

基本重力は次のように計算されます。

F_g= m × g

どこ：

• F_gはニュートン単位の重力です。
• メートル総移動質量 (キログラム単位) です。
• gは重力加速度、約 9.81 m/s²です。

たとえば、完全な移動質量が 20 kg の場合、次のようになります。

F_g= 20 × 9.81 = 196.2N

加速、摩擦、伝達損失のために追加の力が必要となるため、モーターは 196.2 N 以上を提供する必要があります。

上方向加速時に必要な力

おおよその上向きの推進力は次のように計算できます。

F_上= m × (g + a) + F_f+F_e

どこ：

• あるは上向きの加速度です。
• F_fは推定摩擦抵抗です。
• F_e追加の外部プロセス力です。

したがって、設計力には安全係数を含める必要があります。

F_デザイン= F_上×S

一般的な垂直軸の場合、一般に 1.5 ～ 2.0 の安全係数が考慮されます。衝撃荷重、頻繁な起動と停止、不確実な積載量、または安全性が重要な機器の場合は、より大きな係数が必要になる場合があります。

下方向への移動時の力

重力は下向きの動きを補助しますが、これは下向きの動作にモーターのトルクが必要ないことを意味するものではありません。モーターは下降する質量を制御し、過速度を防止する必要があります。

急減速時はモータが回生動作する場合があります。したがって、特に移動質量、速度、またはストロークが大きい場合、サーボドライブには制動抵抗器または回生ユニットが必要になる場合があります。

モータートルクの計算

必要な直線力を決定した後、以下を使用してタイミング プーリーのトルクを推定できます。

T_滑車= F_デザイン× r ÷ n

どこ：

• T_滑車は必要なプーリートルクです。
• rタイミングプーリーのピッチ半径です。
• または伝達効率です。

ギアボックスを使用する場合、必要なモーター トルクは次のように推定できます。

T_モーター= T_滑車÷ (i × n_g)

どこ：

• 私はギアボックスの減速比です。
• または_gギアボックスの効率です。

モータの選定は定格トルクのみに基づいて行うべきではありません。次の値も確認する必要があります。

• モーター定格トルク
• モーターのピークトルク
• 必要加速トルク
• 最高動作速度
• モータイナーシャと負荷イナーシャ比
• 全動作サイクルにわたる RMS トルク
• 下り減速時の回生エネルギー
• ブレーキ保持トルク

サーボ モーターは、制御された加速、正確な位置決め、速度監視、および過負荷保護を提供するため、一般に垂直タイミング ベルトの用途に好まれます。

垂直軸にブレーキモーターが必要な理由

電磁モーターブレーキは、垂直運動システムの最も重要なコンポーネントの 1 つです。サーボが無効になっている場合、または電源が遮断されている場合、重力によりキャリッジが下方に移動する可能性があります。ブレーキはモーターシャフトを保持し、垂直軸を所定の位置に維持します。

ブレーキは常閉で、バネが適用され、電気的に解放される設計である必要があります。これは、電力が遮断されるとブレーキが自動的に作動することを意味します。

プーリーに必要な静的保持トルクは次のように推定できます。

T_所有= m × g × r ÷ n

次に、保持安全率を適用する必要があります。

T_ブレーキ≧T_所有×S_b

選択したブレーキ トルクは、計算された保持トルクを超える必要があります。ブレーキは、キャリッジ、工具、その他すべての可動コンポーネントも考慮する必要があります。

推奨ブレーキ制御シーケンス

1. サーボを有効にし、モーター保持トルクを確立します。
2. 電磁ブレーキを解除してください。
3. 動作を開始する前にブレーキの解除を確認してください。
4. サーボモーターを使用して移動を完了し、軸を停止します。
5. ブレーキを作動させるよう命令します。
6. ブレーキがかかっていることを確認してください。
7. ブレーキが負荷を固定した後にのみサーボを無効にしてください。

ブレーキの機械的な開閉時間を考慮して、制御プログラムに遅延を含める必要があります。

垂直運動のカウンターバランスオプション

カウンターバランスは、モーターに作用する実効重力負荷を軽減します。モーターのトルクを低減し、エネルギー消費を削減し、ブレーキの摩耗を軽減し、垂直軸の安定性を向上させることができます。

一般的な相殺方法には次のようなものがあります。

カウンターウェイト

カウンタウェイトは、ベルト、プーリー、またはケーブル システムを介して移動キャリッジに接続されています。移動質量の大部分を相殺できます。

カウンタウェイトは長いストロークや重い荷重に効果的ですが、追加の設置スペースが必要となり、システムの総移動慣性が増加します。

ガススプリング

ガススプリングは、コンパクトな垂直機構に上向きの支持力を提供します。これは比較的単純ですが、その力はストロークとともに変化し、移動全体を通じて一定に保たれない場合があります。

空気圧シリンダ

空気圧シリンダをバランスシリンダとして使用できます。垂直荷重に応じてエア圧力を調整できます。

この方法は、すでに安定した圧縮空気が供給されている機械に適しています。圧力損失やエア漏れを考慮した安全設計が必要です。

定荷重ばね

定力スプリングは、作動ストローク全体にわたってほぼ均一な支持力を提供できます。比較的軽量な垂直軸やコンパクトな装置によく使用されます。

通常、バランス力は総重力を超えてはなりません。過剰なカウンターバランスにより、モーターが無効になっているときにキャリッジが上昇する可能性があります。

縦型モジュールのタイミングベルトの張力

垂直動作にはタイミングベルトの正しい張力が不可欠です。ベルトの張力が低すぎると、システムで次のような問題が発生する可能性があります。

• 加速時や非常停止時の歯飛び
• 位置決めエラー
• 振動・異音
• 不安定な下降動作
• トランスミッション剛性の低下

ベルトの張力が高すぎると、次のような問題が発生する可能性があります。

• モーターの過負荷
• プーリーベアリング負荷の増加
• 摩擦と温度が高い
• ベルトとベアリングの摩耗の加速
• 寿命の短縮

ベルト張力はモジュールメーカーの指定値に従う必要があります。モーターのトルク不足やベルトのサイズ不足を補うために、任意に値を大きくしないでください。

ベルト幅、歯形、補強材、許容引張荷重はすべて垂直設計力に適したものでなければなりません。

電源オフ保護と落下防止

モーター ブレーキだけでは、あらゆる垂直用途に十分な保護を提供できない場合があります。適切な安全レベルは、移動質量、設置高さ、動作環境、制御不能な落下の影響によって異なります。

考えられる転倒防止策は次のとおりです。

• 常閉モータブレーキ
• 機械式落下防止装置
• ガイドレールに安全ブレーキを搭載
• ラチェットまたはロック機構
• カウンターバランスシステム
• 機械式エンドストップ
• エネルギー吸収バッファー
• セーフティキャッチまたは二次サポート
• 冗長ベルトまたは昇降機構
• サーボアラームとブレーキ状態の監視

垂直軸の下の領域に人が立ち入る可能性がある場合、システムはモーター ブレーキのみに依存すべきではありません。リスク評価と独立した機械的保持装置が必要になる場合があります。

ベルトの故障に対する保護

正しく選択されたタイミング ベルトは耐用年数が長くなりますが、ベルトの磨耗、不適切な張力、汚れ、プーリーの位置ずれ、または過負荷により、最終的には故障が発生する可能性があります。

ベルトの破損が重大な危険を引き起こす可能性がある装置については、次のことを考慮してください。

• デュアルベルト配置
• 二次安全ケーブル
• ガイドレールの安全ブレーキ
• 機械式ロックピン
• ベルトの定期点検と交換
• 軸の下へのアクセスを防ぐ保護エンクロージャ

ガイドレールとモーメント荷重の考慮事項

垂直ペイロードはキャリッジの中心にできるだけ近い位置に配置する必要があります。オフセットペイロードにより、リニアガイドにモーメント荷重が発生します。

通常チェックされる主な瞬間は次のとおりです。

• 投球の瞬間
• ヨーイングモーメント
• ローリングモーメント

キャリッジから遠く離れた場所に軽量のペイロードがあると、キャリッジの中心近くに設置された重いペイロードよりも大きなガイド荷重が発生する可能性があります。

ツーリングのオーバーハングが大きい場合は、次の使用を検討してください。

• より長い馬車
• ガイドブロック2個
• 幅広のモジュール
• 2 つの並列垂直モジュール
• 外部ガイド構造

垂直設置設計要件

モジュールは、堅くて平らな機械フレームに取り付ける必要があります。フレームの剛性が不十分だと、振動、ガイドの位置ずれ、位置決め精度の低下が発生する可能性があります。

インストール中:

• モジュールが垂直に配置されていることを確認してください。
• 推奨される取り付け面に沿ってモジュールを支えます。
• 取付ボルトは規定の順序とトルクで締め付けてください。
• アルミニウムのプロファイルをねじらないようにしてください。
• 移動するキャリッジに柔軟なケーブル ガイドを提供します。
• ケーブルがキャリッジを下または横に引っ張らないようにしてください。
• 上下限センサーを設置してください。
• ソフトウェアの移動制限を機械的な制限内に設定します。
• 終端が停止するまでに十分な減速距離を設けてください。
• 異常なオーバートラベルに対しては機械式バッファを設置してください。

縦型タイミングベルトモジュールの選定手順

1. 総移動質量を計算します。ペイロード、固定具、キャリッジ、およびすべての移動アクセサリが含まれます。
2. ストロークを定義します。必要な移動量に安全マージンと減速距離を加算します。
3. 速度と加速度を決定します。マシンの最大速度だけではなく、実際の動作プロファイルを使用してください。
4. 上向きの推進力を計算します。重力、加速度、摩擦、外部抵抗が含まれます。
5. 安全係数を適用します。衝撃荷重や不確実な動作条件の係数を大きくします。
6. ベルト容量を確認してください。許容張力、歯の強度、ベルト幅を確認してください。
7. プーリートルクを計算します。プーリのピッチ半径と伝達効率を利用します。
8. モーターとギアボックスを選択します。定格トルク、ピークトルク、速度、慣性、RMSトルクを確認します。
9. モーターブレーキを選択してください。ブレーキ保持トルクが重力保持要件を超えていることを確認してください。
10. ガイド荷重とモーメントを確認してください。ペイロードのオーバーハングと工具の寸法を含めます。
11. 回生エネルギーを評価します。必要に応じて制動抵抗器や回生ユニットを追加してください。
12. 落下防止保護を設計します。機械のリスク評価に従って保護を選択します。
13. 動作寿命を確認します。サイクル頻度、毎日の稼働時間、予想されるメンテナンス間隔を考慮してください。

縦軸の計算例

次の条件の垂直タイミング ベルト モジュールを考えてみましょう。

• 総移動質量：20kg
• 上向き加速度: 1.5 m/s²
• 推定摩擦抵抗：50N
• 外部プロセス力: 0 N
• 安全係数: 1.5
• プーリーピッチ半径: 25 mm、または 0.025 m
• 伝達効率：90％

上向きの力は次のとおりです。

F_上 = 20 × (9.81 + 1.5) + 50

F_上= 276.2N

安全率を適用した後:

F_デザイン= 276.2 × 1.5 = 414.3 N

必要なプーリートルクは次のとおりです。

T_滑車 = 414.3 × 0.025 ÷ 0.90

T_滑車≒11.5N・m

静的重力保持トルクは次のとおりです。

T_所有 = 20 × 9.81 × 0.025 ÷ 0.90

T_所有≒5.45N・m

選択したモーター、ギアボックス、ブレーキをこれらの値と照合する必要があります。最終的な選択では、動作速度、ピークトルク、モーターの慣性、サイクルタイム、回生エネルギーも考慮する必要があります。

よくある垂直設置の間違い

可搬質量だけでモーターを選ぶ

ペイロードだけでは完全な移動質量を表すわけではありません。キャリッジ、ツール、アクセサリを無視すると、モーターのトルクが不十分になる可能性があります。

ブレーキなしでモーターを使用する

サーボモーターは通電中は位置を保持できますが、電源が遮断された場合の保持は保証できません。垂直軸には通常ブレーキモーターを使用します。

ブレーキを緊急停止として扱う

移動軸を停止するために保持ブレーキを繰り返し使用すると、急速な摩耗やブレーキの故障が発生する可能性があります。サーボはブレーキがかかる前に動作を停止する必要があります。

下方回復の無視

垂直荷重が大きいと、下降中にエネルギーがサーボ ドライブに戻る可能性があります。適切な回生容量がないと、ドライブが過電圧アラームを生成する可能性があります。

ベルト張力を過度に高める

過剰なプリテンションでは、ベルトやモーターのサイズが小さすぎると修正できません。ベアリングの負荷が増加し、モジュールの耐用年数が短くなる可能性があります。

ソフトウェアの制限のみに依存する

ソフトウェア制限では、コントローラーの障害、センサーの障害、または電源喪失時にマシンを保護することはできません。機械的な制限とバッファも提供する必要があります。

ペイロードのオーバーハングを無視する

オフセット治具は、ペイロード重量が公称定格内であっても過剰なモーメント荷重を発生させる可能性があります。

よくある質問

タイミングベルトモジュールは電力なしで垂直荷重に耐えることができますか?

適切なブレーキまたは機械的保持装置が提供されている場合に限ります。サーボモーター自体は、電源が遮断された後は負荷を確実に保持できません。

ステッピングモーターは垂直タイミングベルト軸に適していますか?

ステッピング モーターは、軽度および低速の垂直負荷に使用できますが、ブレーキと十分なトルク マージンを備えている必要があります。一般に、サーボ モーターは、高速、重い負荷、および位置フィードバックが必要な用途に適しています。

すべての垂直軸にカウンターバランスが必要ですか?

いいえ。モーターとブレーキが負荷を安全に処理できる場合、カウンターバランスはオプションです。重いペイロード、長いストローク、高いサイクルレート、またはエネルギーに敏感な機器にとって、より有用になります。

どのような安全係数を使用する必要がありますか?

予備選択では、約 1.5 ～ 2.0 の係数が考慮されることがよくあります。実際の係数は、負荷の不確かさ、衝撃、動作周波数、および機械の安全要件に従って決定する必要があります。

緊急時にモーターブレーキで軸を停止させることはできますか?

標準的なモーター ブレーキは、主に静止負荷を保持することを目的としています。緊急停止は通常、サーボドライブ、専用の安全ブレーキ、またはその他の適切な定格の停止装置によって処理される必要があります。

ベルトが切れた場合、垂直モジュールの落下を防ぐにはどうすればよいでしょうか?

高リスクのシステムでは、ガイド レールの安全ブレーキ、二次ケーブル、冗長ベルト、機械的ロック機構、または保護筐体が使用される場合があります。機械のリスク評価を通じて適切な方法を選択する必要があります。

結論

タイミング ベルト リニア モジュールは、正しく選択された場合、高速、長いストローク、および正確な垂直運動を提供できます。設計では、総移動質量、重力、加速度、プーリー トルク、ベルト容量、ガイド モーメント、回生エネルギーを考慮する必要があります。

通常、ブレーキモーターは不可欠ですが、ブレーキを唯一の安全装置として扱うべきではありません。重い荷物や、落下により怪我や機器の損傷を引き起こす可能性がある用途の場合は、カウンターバランス システムと独立した機械的落下防止保護も考慮する必要があります。

正確な荷重計算、十分な安全マージン、正しいベルト張力、および信頼性の高い電源オフ保護を組み合わせることで、垂直タイミング ベルト モジュールは、意図された耐用年数全体にわたって安全かつ一貫して動作できます。