間違った選択をする サーボモーターのサイズ設定により、 自動化ラインが停止する可能性があります。完璧なフィット感をどのように確保するのでしょうか?スムーズで効率的な自動化には、サーボ モーターの正確なサイズ設定が不可欠です。
多くの人は、トルク、速度、負荷の要求のバランスを取るのに苦労しています。この記事では、これらの課題に正面から取り組みます。
この投稿では、主要なサイジング手順、よくある落とし穴、最高のパフォーマンスを得るためにモーターの選択を最適化する方法について学びます。
目次
サーボ モーターのサイジングの最初のステップは、動作プロファイルを定義することです。このプロファイルは、オートメーション機器がどのように動くか、つまり、時間の経過に伴う位置、速度、加速度を概説します。たとえば、ピック アンド プレイス ロボット アームは、特定の時間枠内で 1 つの位置から別の位置に移動する必要があります。主要なパラメータは次のとおりです。
移動距離: 荷重が移動する距離 (度またはミリメートル)。
移動時間: 移動に許可された合計時間。
滞留時間: 移動の間に一時停止します。
サイクルタイム: 合計の繰り返し期間。
これらを知ることで、最大速度と加速度を計算することができます。ほとんどのシステムは、速度と滑らかさのバランスをとるために台形または S 字カーブのプロファイルを使用します。これらのパラメータは、サーボ モーターが満たさなければならないトルクと速度の要件に直接影響します。
負荷慣性は、動作の変化に対する機械的負荷の抵抗を表します。負荷を効果的に加速および減速するには、サーボ モーターがこの慣性を克服する必要があるため、これは非常に重要です。以下を含むすべての機械コンポーネントの反射慣性を合計して、負荷慣性を計算します。
それ自体に負荷をかけます (回転ディスクや線形質量など)。
カップリング。
ギアボックス。
ボールネジまたはベルト。
たとえば、リード 10 mm のボールねじにかかる 50 kg の荷重は、リード長の 2 乗により計算されるため、リード 50 mm のボールねじにかかる同じ荷重よりも慣性が小さくなります。ギアボックスは反射慣性をギア比の 2 乗で低減し、サーボのサイジング結果を向上させることができます。
必要な合計トルクは、いくつかの要素を組み合わせたものです。
加速トルク: 負荷とモーターローターの慣性を加速または減速するために必要です。
摩擦トルク: ベアリングとシールの機械的摩擦を克服するための連続トルク。
重力トルク: 垂直軸または傾斜軸に適用され、重力に抗して負荷を保持または移動するために必要です。
加速トルクの計算式は次のとおりです。
Taccel = Jtotal × α
ここで、 Jtotalはモーターと負荷の慣性の合計、 α は角加速度です。これに摩擦と重力トルクを加算すると、加速時の総トルクとなります。一定速度では、摩擦と重力のみが関係します。
ピーク トルクは最大瞬間トルクを示しますが、熱制限は反映されていません。 RMS (二乗平均平方根) トルクは、動作サイクル全体にわたる加熱を考慮します。
Trms = tcycle T 12t 1+ T 22t 2+ ⋯
ここで、 Ti と tiです。通常動作中の過熱を避けるために、サーボ モーターの連続トルク定格はこの RMS トルクを超える必要があります。 は各フェーズのトルクと持続時間
慣性比は、反射負荷慣性をモーターのローター慣性で割ったものです。サーボ制御に大きな影響を与えます。
1:1 ～ 3:1: 高速で正確なアプリケーションに最適です。
3:1 ～ 10:1: ほとんどの産業用途に使用できます。
10:1 以上: チューニングが難しく、不安定になる可能性があります。
比率が高い場合は、ギアボックスを追加するか、より高いローター慣性を持つモーターを選択するか、機械システムを再設計して負荷慣性を低減することを検討してください。
トルク、速度、慣性比を定義したら、サーボ モーター サイジング ソフトウェアまたはサーボ モーター サイジング カリキュレーターを使用して、適切なモーターとドライブを選択します。確認すべき主な仕様:
連続トルク ≥ RMS トルク。
ピークトルク≧最大瞬間トルク。
定格速度≧要求速度。
ローター慣性は希望の慣性比に適合します。
フレーム サイズは機械的制約に一致します。
フィードバックとブレーキのオプションはアプリケーションに適しています。
サーボドライブが必要な電流を供給でき、制御プロトコル (EtherCAT、PROFINET など) をサポートしていることを確認してください。
摩擦の変化や荷重の変化などの変動をカバーするために、計算された RMS トルクより通常 20 ～ 30% 高い安全マージンを追加することが重要です。ただし、コストやスペースが無駄になり、慣性の不一致による制御の低下につながるオーバーサイズは避けてください。
サーボ モーターのサイズを決定する場合、連続トルクとピーク トルクの違いを理解することが不可欠です。連続トルクとは、モーターが過熱することなく無限に供給できるトルクの量です。これは、通常の動作中のモーターの熱制限を決定します。ただし、ピーク トルクは、通常は加速時や突然の負荷変化時に発生する短いバーストに対してモーターが提供できる最大トルクです。
たとえば、サーボ モーターの連続トルク定格は 5 Nm ですが、短時間のピーク トルクは 15 Nm になる場合があります。ピークトルクをサイジングのベースラインとして使用すると、サイジング不足や過熱につながる可能性があります。常に動作プロファイルから計算された RMS トルク以上になるようにモーターのサイズを設定し、連続トルク定格が平均負荷を確実にカバーできるようにします。
速度はサーボ モーターのサイジングにおいて重要な役割を果たします。一般に速度が増加するとトルクは減少するため、必要なモーター速度はトルクの利用可能性に影響します。高速用途向けに設計されたモーターは、連続トルク定格が低くなる傾向があります。逆に、高トルク用に最適化されたモーターは通常、より低い最大速度で動作します。
モーターを選択するときは、定格速度がアプリケーションの必要な最大速度を超えていることを確認してください。たとえば、オートメーション機器が 3000 RPM の最大速度を要求する場合は、少なくともその速度に対応するサーボ モーターを選択してください。サーボ モーターのサイジング カリキュレーターまたはサーボ モーター選択ソフトウェアを使用すると、トルクと速度の要件のバランスを効率的に取ることができます。
負荷慣性は、動作の変化に対する機械的負荷の抵抗です。反射慣性は、ギアボックスやカップリングなどの負荷や機械コンポーネントを含む、モーター シャフトから見た等価慣性です。反射慣性が大きいということは、負荷を加速または減速するためにモーターがより多くのトルクを供給する必要があることを意味します。
重要なパラメーターは慣性比、つまり反射負荷慣性をモーターのローター慣性で割ったものです。正確に制御するには、この比率が 1:1 ～ 3:1 であることが理想的です。比率が 10:1 を超えると、制御が不安定になり、調整が不十分になる可能性があります。ギアボックスを使用するか、より高いローター慣性を持つモーターを選択すると、この比率を最適化することができます。
ギアボックスとトランスミッションのコンポーネントは、サーボ モーターのサイズに大きく影響します。これらはトルクと速度を変換し、反射慣性と負荷特性に影響を与えます。例えば：
ギア減速: 5:1 比のギアボックスは、反射負荷慣性を 25:1 (ギア比の 2 乗) 低減し、モーターによる負荷の制御を容易にします。
トルクの増大: ギアボックスは出力シャフトのトルクを増大させ、高トルクの用途に小型モーターの使用を可能にします。
速度低下: 出力速度を低下させ、モーターが最適な速度範囲内で動作するのに役立ちます。
ただし、ギアボックスにはバックラッシュ、摩擦、コンプライアンスが発生し、制御性能に影響を与える可能性があります。ギアボックスを使用する場合は、それに応じてサーボ モーターのサイジング計算を調整し、サーボ モーター サイジング ソフトウェアまたはサーボ モーター計算ツールでこれらの要素を考慮してください。
サーボ モーターのサイジングで最もよくある間違いの 1 つは、摩擦と重力の負荷を無視することです。多くのエンジニアは加速トルクのみに注目し、ベアリング、シール、ガイドの摩擦を克服するために必要な継続的なトルクを見落としています。垂直軸または傾斜軸の場合、モーターは重力に逆らって負荷を保持または移動させる必要があるため、重力トルクが重要な役割を果たします。これらの要因を無視すると、モーターのサイズが小さくなり、動作中に停止または故障が発生します。
もう 1 つのよくある間違いは、連続トルクではなくピーク トルクに基づいてサイジングを決定することです。ピークトルクはモーターの短期的な最大値であり、加速時または突然の負荷変化時にのみ使用されます。連続トルクとは、オーバーヒートを起こさずに維持できるトルクのことです。たとえば、連続 10 Nm、ピーク トルク 30 Nm のサーボ モーターは、たとえピークを下回っていても 25 Nm で連続的に動作させることはできません。ピークトルクを誤って使用すると、過熱やモーターの早期故障につながります。
ケーブルの長さと品質は、モーターに到達する電圧と電流に影響します。ケーブルが長いと抵抗が生じ、電圧降下が発生し、実効トルクが低下します。 20 メートルを超えるケーブルの場合は、損失を計算し、ケーブルまたはドライブのサイズを大きくすることを検討することが不可欠です。電気的要因を無視すると、特に高出力サーボ モーターの大型設備の場合、パフォーマンスが低下し、予期せぬ障害が発生する可能性があります。
テストまたは試運転条件のみに基づいてサーボ モーターのサイズを決定するのは危険です。実稼働環境では、マシンは初期テスト時よりも高速に実行されたり、より頻繁に実行されたりすることがよくあります。これにより、熱負荷と RMS トルクの要件が変化します。真のデューティサイクルを見落とすと、過小サイズや過熱につながります。サーボ モーターのサイジング カリキュレーターまたはサーボ モーターのサイジング ソフトウェアを使用するときは、常に現実的な生産プロファイルを考慮してください。
サイズが小さすぎると障害が発生しますが、サイズが大きすぎるとそれ自体の欠点があります。必要以上に大きなサーボモーターは資本とスペースを無駄にします。必要以上に力が消費され、慣性比が低下する可能性があります。この慣性の不一致により、制御帯域幅と精度が低下します。サイズが大きすぎると、チューニングが難しくなり、機械コンポーネントの摩耗が増加する可能性があります。サーボの適切なサイジングにより、過剰なサイジングをせずに安全マージンのバランスが取れます。
サーボ モーターのサイジングは、オートメーション機器の機械設計と動作要件を徹底的に理解することから始めます。動作プロファイルを正確に定義します。移動距離、移動時間、サイクル レートを把握します。この基盤により、すべてのサイジング計算が仮定ではなく実際の状況を反映することが保証されます。たとえば、重い負荷を短距離にわたって高速で移動させるリニア アクチュエータには、低速で連続動作する回転テーブルとは異なるモータ特性が必要です。
最初に機械設計に焦点を当てることで、適合性ではなく可用性に基づいてモーターを選択するというよくある落とし穴を回避できます。このアプローチにより、トルク、速度、慣性の要件がより適切に一致し、パフォーマンスと信頼性が向上します。
メーカーが提供するサーボ モーターのサイジング ソフトウェアとサーボ モーターの選択ツールを活用します。 Allen-Bradley、Siemens、Yaskawa などのブランドは、複雑な計算を自動化する直感的なサーボ モーターのサイジング カリキュレーターを提供しています。これらのツールは、モーション プロファイルと負荷データを推奨されるモーターとドライブの組み合わせに変換するのに役立ちます。
これらのツールは非常に便利ですが、入力パラメーターを注意深く確認して、常にその出力を検証してください。負荷慣性とトルクを手動で計算してクロスチェックすることで、選択したサーボ モーターのサイズがシステムのニーズに確実に適合するようにします。これらのソフトウェア ソリューションを使用すると、設計プロセスがスピードアップされ、人的エラーが削減されます。
摩擦の変化、摩耗、わずかな負荷変動などの不確実性を考慮して、計算された RMS トルクに約 20 ～ 30% の安全マージンを組み込んでください。このマージンにより、サイズが大きくなりすぎることなく、予期しない動作条件から保護されます。
過剰なマージンは避けてください。コストが膨らみ、慣性の不一致により制御性能が低下する可能性があります。マージンを適切に設定することで、信頼性と効率のバランスが取れ、サーボ モーターが機器のライフサイクル全体にわたって一貫したパフォーマンスを発揮できるようになります。
サイジングツールや計算によりサーボモータを選定した後、実機でモータを試作します。通常の動作時のモーター電流、温度上昇、動作応答を測定します。この現実世界のテストでは、サイジング中に立てられた仮定が検証され、追加の摩擦やケーブル損失などの隠れた要因が明らかになります。
プロトタイピングは問題を早期に発見するのに役立ち、完全な運用前に調整できるようになります。また、サーボ モーターのサイジング計算ツールの推奨事項が、実際の条件下で信頼性が高く効率的な動作につながることも確認します。
サーボ モーターにはさまざまなサイズがあり、それぞれがオートメーション機器のさまざまなトルクと速度の要求に適しています。一般に、次のように分類されます。
マイクロサーボモーター: トルクは 0.1 Nm 未満、速度は最大 5000 RPM です。小型ロボット、ドローン、趣味のプロジェクトに最適です。
小型サーボモーター: トルクは 0.1 ～ 1 Nm、速度は最大 6000 RPM です。医療機器、3D プリンター、軽量 CNC マシンで一般的です。
中型サーボ モーター: トルク 1 ～ 10 Nm、速度 500 ～ 3000 RPM。産業用ロボット、包装機、中規模オートメーションなどに使用されます。
大型サーボ モーター: トルクは 10 Nm を超え、速度は通常 1500 RPM 未満です。重機、コンベアシステム、大型プレスなどに適しています。
この分類は、エンジニアがアプリケーションのトルクと速度のニーズに基づいてモーターのオプションを迅速に絞り込むのに役立ちます。サーボ モーターのサイジング カリキュレーターまたはサーボ モーターのサイジング ソフトウェアを使用する場合、これらのカテゴリは、詳細な計算の前に最初のモーターの選択をガイドします。
各サーボ モーター サイズは、異なる自動化の役割を果たします。
マイクロ サーボ モーター: カメラ ジンバル、小型ロボット アーム、小型位置決めシステムなどの、正確で低トルクのタスク。
小型サーボ モーター: ピック アンド プレース機械、小型 CNC 軸、医療機器などの軽工業用タスク。
中型サーボモーター: 組立ロボット、包装ライン、自動検査装置などに多用途に使用できます。
大型サーボ モーター: ロボット溶接、大型コンベア ドライブ、工作機械の軸などのヘビーデューティ アプリケーション。
適切なサイズを選択すると、サーボ モーターがサイズを大きくしすぎずにトルクと速度のプロファイルを満たすことができます。これにより、コストが増加し、制御精度が低下する可能性があります。
サーボ モーターは、トルクと速度の間に固有のトレードオフを示します。
では 低速、モーターは より高い連続トルクを提供できます.
では、 高速トルク能力が 低下します。 電気的および熱的制限により
たとえば、中程度のサーボ モーターは、500 RPM で 10 Nm の連続トルクを提供できますが、3000 RPM では 4 Nm しか提供しません。この関係は通常、トルクと速度の曲線で示されます。これは、サーボ モータのサイズ チャートやサーボ モータの計算機を使用して動作範囲全体にわたるモータの性能を確認する場合に不可欠です。
サイズを決定するときは、必要な速度でのモーターのトルクが、動作プロファイルから計算されたトルク要求を満たすか、それを超えていることを確認してください。サーボ モーターのサイジング ソフトウェアには、このチェックを自動化するためのトルク-速度曲線が含まれていることがよくあります。
NEMA (National Electrical Manufactures Association) のフレーム サイズは、サーボ モーターの寸法、取り付けパターン、シャフト サイズを標準化しています。一般的な NEMA サーボ モーターのフレーム サイズは次のとおりです。
フレームサイズ |
シャフト径 |
一般的なトルク範囲 (Nm) |
代表的な用途 |
|---|---|---|---|
NEMA 17 |
5mm |
0.2～0.5 |
小型ロボット、3Dプリンター |
NEMA 23 |
6.35mm |
0.5～2.0 |
CNC機械、包装装置 |
NEMA 34 |
9mm |
2.0 – 8.0 |
産業オートメーション、中型ロボット |
カスタムラージ |
> 9 mm |
> 8.0 |
重機、ベルトコンベア |
を使用すると、 NEMA サーボ モーターのフレーム サイズチャート 設計者は機械的制約と標準の取り付けハードウェアに適合するモーターを選択できます。また、サーボ モーター ドライブやアクセサリとの互換性も容易になります。
トルクと速度の要件と組み合わせると、フレーム サイズにより、サーボ モーターが修正なしでオートメーション機器に物理的に統合されます。
必要なトルク、速度、慣性比を計算したら、次のステップはこれらの要求を満たすサーボ モーターを選択することです。を使用して サーボモータサイジング計算機 または サーボモータサイジングソフトウェア 、オプションを絞り込みます。確認すべき主なモーター仕様は次のとおりです。
連続トルク: 過熱を防ぐために、計算された RMS トルクを超える必要があります。
ピークトルク： 加速時の最大瞬間トルクをカバーする必要があります。
定格速度: 必要な最大速度よりも高い必要があります。
ローター慣性: スムーズな制御を確保するために、希望の慣性比に適合する必要があります。
フレーム サイズ: 機械的スペースと取り付けの制約に合わせて調整する必要があります。
選択したものをと相互参照して サーボ モーターのサイズ チャート または サーボ モーターのフレーム サイズ チャート 、物理的な互換性を確認してください。たとえば、アプリケーションでコンパクトなモーターが必要な場合は、 NEMA サーボ モーターのフレーム サイズ表を参照して 、標準の取り付け寸法に適合するモーターを見つけてください。
フィードバック デバイスは、正確なサーボ制御に重要な位置と速度の情報を提供します。一般的なフィードバックの種類は次のとおりです。
インクリメンタル エンコーダ: 相対位置データを提供します。多くの標準的なアプリケーションに適しています。
絶対値エンコーダ: 電源投入時に正確な位置を提供します。安全性が重要なシステムや複雑なシステムに最適です。
レゾルバ: 過酷な環境でも堅牢で信頼性があります。
精度、環境条件、コストを考慮してフィードバック装置を選択してください。さらに、次のような制御オプションを考慮してください。
トルクモード: 直接トルク制御が必要なアプリケーション向け。
位置モード: 正確な位置決めタスク用。
速度モード: 速度制御アプリケーション用。
サーボドライブが選択したフィードバックおよび制御モードをサポートしていることを確認してください。
サーボドライブはモーターの電気要件に適合し、自動化制御システムとシームレスに統合する必要があります。ドライブを選択するときは、次のことを確認してください。
電流と電圧の定格: ドライブは、モーターの連続トルクとピーク トルクに十分な電流と電圧を供給する必要があります。
電源の互換性: ドライブのバス電圧が施設の電力に適合していることを確認します。
通信プロトコル: ドライブは多くの場合、EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、またはその他の産業用ネットワークをサポートします。スムーズな統合のために、コントローラーと互換性のあるものを選択してください。
安全機能: 一部のドライブには、安全トルクオフ (STO) などの安全機能が統合されています。
互換性のあるドライブを選択すると、信頼性の高いパフォーマンスが保証され、システム統合が簡素化されます。
垂直軸には重力負荷があるため、特別な注意が必要です。位置と安全を維持するには:
適切な保持トルクを持つモーターを選択する か、外部ブレーキを使用してください。
多くのサーボ モーターには、 安全ブレーキが組み込まれています。 電力損失時に負荷を保持するように設計された
ブレーキの保持トルクがサイジング時に計算された重力トルクを超えていることを確認してください。
統合ブレーキを使用する場合は、サーボドライブがブレーキ制御機能をサポートしていることを確認してください。
適切なブレーキを選択すると、荷重のドリフトが防止され、垂直用途におけるオペレータの安全性が向上します。
最適なオートメーションパフォーマンスを得るには、サーボモーターのサイジングをマスターすることが不可欠です。主な手順には、動作プロファイルの定義、負荷慣性の計算、トルクと速度のニーズに基づくモーターの選択が含まれます。適切なサイジングにより、コスト効率、信頼性、制御精度が向上します。テクノロジーの進歩によりサイジング方法が改良され続け、システムの機能が強化されています。専門家のエンジニアリングサポートを活用することで、正確なモーターの選択とシステムの統合が保証されます。 Tiger Motion Control Co., Ltd. は、 さまざまなオートメーション アプリケーションに信頼できる性能と価値を提供する高度なサーボ ソリューションを提供します。
A: サーボ モーターのサイジングには、必要なトルク、速度、慣性を計算して、オートメーション機器の動作プロファイルに適合するモーターを選択することが含まれます。サーボ モーターの適切なサイズ設定により、効率的なパフォーマンスが確保され、過熱が防止され、制御の不安定性が回避されます。サーボ モーターのサイジング カリキュレーターやサーボ モーターのサイジング ソフトウェアなどのツールを使用すると、正確な選択を行うことができます。
A: サーボ モーターのサイジング カリキュレーターを使用するには、負荷慣性、移動距離、移動時間、トルク要件などの主要なパラメーターを入力します。計算機は、加速度、摩擦、重力などの要素を考慮して、適切なモーターを推奨します。常に結果を手動計算と照合し、確認のためにサーボ モーター サイズ表またはサーボ モーター フレーム サイズ表を参照してください。
A: 負荷慣性は、動作の変化に対する機械的負荷の抵抗を表し、必要なトルクに直接影響します。ギアボックスやカップリングを含む反射慣性を計算することは、正確なサーボのサイジングに不可欠です。サーボモータサイジングソフトウェアを使用して最適なイナーシャ比を維持することで、制御精度が向上します。
A: サーボ モーターのサイズが大きすぎると、コストが高くなり、スペースが無駄になり、慣性の不一致による制御の低下につながります。適切なサーボ モーターのサイズ設定により、過度のサイズ変更をせずに安全マージンのバランスが取れ、効率的な動作と容易な調整が保証されます。
A: NEMA サーボ モーターのフレーム サイズチャートはモーターの寸法と取り付けを標準化しており、エンジニアが機械的制約に適合するモーターを選択するのに役立ちます。フレーム サイズのデータとサーボ モーターのサイジング計算ツールからのトルク速度要件を組み合わせることで、物理的および性能の両方の互換性が確保されます。
