リニアモーターとアクチュエーターは自動化のニーズを満たす

Dec 09, 2023

リニア モーターとアクチュエーターは現在、ボール ネジやベルト ドライブと比べてコスト競争力があり、高度な位置決めアプリケーションに対して明らかに優れた機敏性と帯域幅を提供します。 新しいマイクロモーターとアクチュエーターは、これまで実現できなかったタスクの自動化に役立ちます。 ダイレクト リニア ドライブは、サーボ制御の空気圧シリンダに取って代わりつつあり、エアコンプレッサーのコスト、騒音、メンテナンスの必要がなく、信頼性と制御性に貢献しています。

半導体業界の要件に後押しされて、リニアモーターメーカーは着実に精度を高め、価格を下げ、複数のタイプのモーターを開発し、自動化機器への統合を簡素化してきました。 最新のリニア モーターは、20g のピーク加速度と 10 メートル/秒の速度を実現し、比類のないダイナミックな機敏性を実現し、メンテナンスを最小限に抑え、稼働時間を倍増します。 これらは特殊な半導体産業での使用を超えて、ホストのアプリケーションで高度なパフォーマンスを提供します。

ボールねじの 10 倍の速度と動作寿命を備えたリニア ダイレクト ドライブ テクノロジーは、多くの場合、生産性を向上させる自動化のための唯一のソリューションです。

従来の位置決め機構の動的性能は、親ネジ、歯車列、ベルトドライブ、およびフレキシブルカップリングによって制限され、ヒステリシス、バックラッシュ、摩耗が生じます。 同様に、空気圧アクチュエータは、ピストンの質量とピストンとシリンダの摩擦、および空気の圧縮性の影響を受け、サーボ制御が複雑になります。 リニア モーターとアクチュエーターは、従来のポジショナーの質量と慣性を軽減し、これらの基本的な制限から解放され、比類のない動的剛性を提供します。

直接的な駆動力の生成により、リニア モーターとアクチュエーターは、代替の位置決め機構では実現できない閉ループ帯域幅を実現できます。 モーターとアクチュエーターは最新のコントローラーを最大限に活用できます。 これらのコントローラーは、高ループ ゲイン動作向けに調整されており、広帯域制御、高速セトリング、および過渡外乱からの迅速な回復を実現します。

リニア モーターとアクチュエーターは、静止摩擦ゾーンで動作するミリメートル単位の移動を行うことに優れています。 質量が小さく静止摩擦が最小限に抑えられるため、走行開始に必要な駆動力が最小限に抑えられ、停止時のオーバーシュートを防ぐ制御システムのタスクが簡素化されます。 これらの属性により、たとえば、ダイレクト ドライブ モーターとアクチュエーターが顕微鏡スライドをスキャンし、わずか数ミリメートル離れたアーティファクトの XY 位置をグラフ化できるようになります。

迅速な反復動作を必要とするアプリケーションでは、リニア アクチュエータの高帯域幅を活用して、ボールねじまたはベルト ドライブのスループットを 2 倍にすることができます。 ロール状の材料（紙、プラスチック、おむつも）を所定の長さにスライスする機械は、材料の流れを止めずに稼働することでスループットを最大化します。 オンザフライで切断するために、このような機械は切断ブレードを加速して材料の流れと同期させ、材料の速度で切断位置まで移動し、その後切断を開始します。 切断後、ブレードは開始点に戻り、次の往復切断サイクルを待ちます。

フラット ベッド、U チャネル、チューブラー モーターの 3 つの基本的なリニア モーター構成が利用可能です。 各モーターには固有の利点と制限があります。

フラットベッドモーターは、無限の移動量と最高の駆動力を提供しますが、負荷を運ぶフォーサーとモーターの永久磁石トラックの間にかなりの望ましくない磁気吸引力を及ぼします。 この吸引力には、余分な負荷を支えるベアリングが必要です。

鉄のないコアを備えた U チャンネル モーターは慣性が低いため、最大限の機敏性を実現します。 ただし、フォーサーの荷重を運ぶ磁気コイルは U チャネル フレームの奥深くまで移動するため、熱の除去が制限されます。

管状リニア モーターは頑丈で熱効率が高く、設置が最も簡単です。 ボールねじおよび空気圧ポジショナのドロップイン代替品を提供します。 チューブラーモーターの永久磁石はステンレス鋼のチューブ (スラストロッド) に収められており、両端で支持されています。 追加のスラスト ロッド サポートがないと、負荷の移動はスラスト ロッドの直径に応じて 2 ～ 3 メートルに制限されます。

3 つのモーター タイプすべての中で、チューブラー モーターは主流の産業用途に最適です。 管状リニア モーターは、基本的なエンジニアリングの革新により多大なメリットを得ています。 Copley Controls のリニア モーターは、従来の外部リニア エンコーダを一体型ホール センサーに置き換えます。 特許取得済みの磁気回路により、ホール効果センサーは分解能と再現性がほぼ 10 倍向上します。

リニア エンコーダのコストはリニア モータ自体とほぼ同じであるため、リニア エンコーダを排除すると大幅なコスト削減になります。 また、サポートや調整が必要な面倒なエンコーダがないため、リニア モーターの自動化システムへの統合も簡素化されます。 その他の利点としては、堅牢性、信頼性、エンコーダが保護された環境を必要としないことが挙げられます。

管状リニア モーターは、強力で汎用性の高いダイレクト ドライブ リニア アクチュエーターに変換できます。 アクチュエータの具体化では、フォーサーは静止したまま (機械フレームにボルトで固定されています)、負荷位置決めスラスト ロッドはフォーサー内に取り付けられた低摩擦の無潤滑ベアリング上を移動します。 リニア アクチュエータは、ボールねじやベルト ドライブよりも優れた性能を発揮するだけでなく、プログラム可能なサーボ空気圧位置決めシステムに代わるより高性能な代替品でもあります。

管状リニア モーターは、1 本のスラスト ロッド上で動作する 2 つの独立したフォーサーを使用して、生産性を 2 倍にするアプリケーションに役立ちます。 各フォーサーには独自のサーボ ドライブがあり、他のフォーサーから完全に独立して移動できます。 たとえば、1 つのフォーサーがロードしている間に、もう 1 つのフォーサーがアンロードすることができます。 この技術では、高速移動コンベアから品物を一度に 2 つずつ持ち上げて 2 番目のコンベアに正確に配置することで、スループットを 2 倍にすることができます。

同様に、単一のスラストロッドで複数のフォーサーを動作させると、駆動力が 2 倍、3 倍、さらには 4 倍になります。 フォーサーは 1 つのコントローラーで操作できます。

リニア モーターの耐荷重フォーサーは、長寿命のシングル レール ベアリングで移動します。 対照的に、ボールねじの回転から直線への変換機構には、性能を低下させ、寿命を縮める追加の摩耗源が伴います。

リニア アクチュエータのスラスト ロッドは、フォーサーに取り付けられた長寿命の無潤滑ベアリング上を滑ります。 この本質的なシンプルさにより、アクチュエータは 1,000 万回の動作サイクルを実現できます。 アクチュエータのベアリングは自動調心式で、取り付けが簡単です。 アクチュエータの駆動力が直接スラストロッドに加わるため、加速性と応答性が向上します。

外部エンコーダがフォーサーに統合されたソリッドステート センサーに置き換えられると、ダイレクト ドライブ モーターとアクチュエーターは非常にシンプルな 2 コンポーネント デバイスになります。 フォーサーとスラスト ロッドはどちらも本質的に非常に堅牢なコンポーネントであり、モーターとアクチュエーターが国際的な IP67 ウォッシュダウン定格に適合することを可能にします。

研削歯車や回転送り送りねじがないため、リニア モーターとアクチュエータには、低騒音動作というますます重要な条件が与えられます。 OSHA は、職場の騒音に関する規則をますます厳格化する欧州の産業規則に追随しています。 研究室や病院の環境では、静かな動作がすでに重要です。 OSHA がその裁定を他の実稼働環境にも拡大するにつれて、この懸念はますます広まるでしょう。

この記事は、マサチューセッツ州カントンにある Copley Motion Systems LLC の副社長、George Procter によって書かれました。 詳細については、ここをクリックしてください

この記事は、Motion Control Technology Magazine の 2008 年 4 月号に初めて掲載されました。

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