リニアアクチュエータ:解説と選び方

リニアアクチュエータとはモーターによって生じた回転運動を、軸に沿った直線運動に変換するセルフサポート構造のシステムです。このようにして、押したり、引いたり、上げたり、下げたりする運動、また、過重を傾ける運動を生み出します。アクチュエータは直交ロボットと組み合わせたり、機械に組み込まれたコンポーネントとして使用されるのが、最も一般的です。

アクチュエータの主な活躍の場として、以下が挙げられます。

• 工業オートメーション
• 製造工程のワーク給送、ピック&プレースシステム
• アッセンブリ
• パッケージング、パレタイゼーション

レーザーやプラズマ平面切断加工機、ワークのロード・アンロード、生産ラインでのマシニングセンターのワーク給送、外部軸に沿って移動することで、可動範囲を広げる多関節ロボットなどのアプリケーションを思い浮かべてください。

こうしたアプリケーションで、ひとつ以上のリニアアクチュエータが使用されています。 アプリケーションのタイプ、そして精度、許容荷重、スピードといったパフォーマンスのどれを優先するかによって、いくつかあるアクチュエータのタイプから選択することになります。

またその際、決定打となるのは運動伝達要素のタイプです。運動伝達要素の主な3つは以下です。

• ベルト
• ラックピニオン
• ねじ

適切なアクチュエータを選ぶにはどうしたらいいのでしょうか？新しいアプリケーションに挑む工業デザイナーが考慮にどんな要素でしょうか？

リニアモーションのソリューションについては、正しい観点から問題を見る必要があります。つまり、どんなアプリケーションなのか、そしてとりわけ、どんな成果とパフォーマンスをあなたが望んでいるのかを考えるべきなのです。ですから、まずはどんなダイナミクス、ストローク、精度が必要なのか考えるのが肝要です。 詳細を見てみましょう。

高いダイナミクス

工業デザインの多くの分野、例えばパッケージ分野のように、設計者に課せられる要求として非常に多いのが、サイクルタイムの短縮とスピードに関連するものです。そのため、ソリューション決定に際して、まず高いダイナミクスを念頭に置くのは自然の流れです。 高いダイナミクスに関しては、多くの場合ベルト駆動が理想的なソリューションとなります:

• 50 m/s2 の最大加速度と 5 m/s の最高速度で 10-12mのストロークが可能
• • ベルト駆動のX-Y-Z 軸ガントリーでは、通常、非常に小さい荷重から約 200kgまでの対応が可能
•  潤滑タイプによって、メンテナンスの間隔を非常に長くできるため、製造の中断を避けられるシステム。

高いダイナミクスに加え10-12m以上のストロークを望む場合、ラックピニオン駆動のアクチュエータもソリューションとして理想的です。事実10 m/s2の最大加速度と3.5 m/s の最高速度が可能で、ストロークはほぼ無限になります。 他のタイプのアクチュエータを選択するなら、同様の結果を期待できないでしょう。ねじ駆動システムなら、確かに精度の面ではより優れますが、速度が遅く、このようなロングストロークを実現することはできません。

ロングストローク

直交ロボットの典型となるX-Y-Z 構成のシステムは、ピック&プレースや、生産ラインではマシニングセンターのワーク給送において、しばしば数十メートルにおよぶ超ロングストロークが必要です。多くの場合、通常Y軸が担うロングストローク時には、数百キロにおよぶ過重や、それぞれ独立した動作をする複数のZ軸に対応しなければなりません。 このようなアプリケーションでは、Y軸にとって最適なのはラックピニオン駆動のアクチュエータであることは間違いありません。その理由は、

• ラックピニオンシステムは剛性に優れるため、それを維持しながら精度と効率を発揮して、無限のストロークでの作業が可能
• ボール循環式ガイドまたはプリズマティックローラーガイドを走行する、高周波焼き入れされたヘリカルラックを使用したアクチュエータは、最大1000kgの過重に対応
• それぞれ独立したモーターを備える複数のキャリッジを使用することで、複数のZ軸の独立運転が可能

ベルト駆動システムは10-12mまでのストロークに適し、ボールねじ駆動のアクチュエータはロングストロークの場合、臨界速度のために制限ができます。

繰り返し位置決め

しかし、微細部品の組み立てや、例えば医療分野のハンドリングといったアプリケーションで設計者が高精度を求めている場合、選ぶならボールねじ駆動のリニアアクチュエータを置いて他はありません。

このような条件では、ボールねじ駆動のリニアアクチュエータなら±5 μ以内の繰り返し位置決め精度という、最高のパフォーマンスを保証してくれるからです。

同様のパフォーマンスは、ベルト駆動アクチュエータでも、ボールねじ駆動のそれでも比較にならず、実際、どちらも±0.05 mmの繰り返し位置決め精度しか実現できません。

このトピックの詳細、リニアアクチュエータを選ぶべき9つの理由について興味がおありでしたら、こちらのレポートをどうぞ

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