ダイレクトドライブvs.ギア付き回転式サーボモーター：設計の利点の定量化：パート1

学習目標

• 現実世界のロータリーサーボシステムは、技術的な制限のために理想的なパフォーマンスには至らない。
• いくつかのタイプのロータリーサーボモーターは、ユーザーに利点を提供できますが、それぞれに特定の課題または制限があります。
• ダイレクトドライブロータリーサーボモーターは最高のパフォーマンスを提供しますが、ギアモーターよりも高価です。

何十年もの間、ギア付きサーボモーターは、産業用自動化ツールボックスで最も一般的なツールの1つでした。ギア付きセブモーターは、ポジショニング、速度マッチング、電子カンディング、巻線、張力、アプリケーションの締め付けを提供し、サーボモーターのパワーを負荷に効率的に一致させます。これは疑問を提起します：ギア付きサーボモーターはロータリーモーションテクノロジーに最適なオプションですか、それともより良い解決策がありますか？

完璧な世界では、ロータリーサーボシステムには、アプリケーションに一致するトルクと速度の評価があるため、モーターはオーバーサイズでも低いサイズもありません。モーター、伝送要素、荷重の組み合わせには、無限のねじり剛性とゼロバックラッシュが必要です。残念ながら、現実世界のロータリーサーボシステムは、この理想がさまざまな程度に達していません。

典型的なサーボシステムでは、バックラッシュは、伝送要素の機械的耐性によって引き起こされるモーターと負荷の間の動きの喪失として定義されます。これには、ギアボックス、ベルト、チェーン、およびカップリング全体の動きの損失が含まれます。マシンが最初に電源を入れていると、機械的耐性の中央のどこかに負荷が浮かびます（図1a）。

荷重自体がモーターによって移動される前に、モーターが回転して、伝送要素に存在するすべてのスラックを吸収する必要があります（図1B）。動きの終わりにモーターが減速し始めると、運動量がモーターの位置を超えて荷重を運ぶため、荷重位置が実際にモーターの位置を追い越す可能性があります。

モーターは、荷重にトルクを適用して減速する前に、再びスラックを反対方向に奪う必要があります（図1C）。この動きの喪失はバックラッシュと呼ばれ、通常は1/60度に等しいアークマインで測定されます。産業用アプリケーションでサーボで使用するために設計されたギアボックスには、多くの場合、3〜9のアークマイナスの範囲のバックラッシュ仕様があります。

ねじれの剛性は、トルクの適用に応じて、モーターシャフト、透過要素、および負荷のねじれに対する抵抗です。無限に硬いシステムは、回転軸の周りの角のたわみなしでトルクを負荷に送信します。ただし、固体鋼製のシャフトでさえ、重い負荷の下でわずかにひねります。たわみの大きさは、適用されたトルク、透過要素の材料、およびその形状によって異なります。直感的に、長くて薄い部分は、短い太った部分よりもひねります。ねじれに対するこの抵抗は、コイルスプリングを機能させるものです。スプリングを圧縮することは、ワイヤーの各ターンをわずかに圧縮します。太ったワイヤーは硬いスプリングを作ります。無限のねじれ剛性よりも少ないものは、システムがスプリングとして機能します。つまり、荷重が回転に抵抗するにつれて、ポテンシャルエネルギーがシステムに保存されます。

組み合わせると、有限のねじれの剛性と反発は、サーボシステムの性能を大幅に低下させる可能性があります。バックラッシュは、モーターエンコーダーがモーターのシャフトの位置を示しているため、バックラッシュが荷重を和解させた場所ではなく、不確実性を導入する可能性があります。また、バックラッシュは、負荷とモーターが相対方向を逆にするときに、荷重カップルとモーターから短時間外れているため、チューニングの問題を導入します。バックラッシュに加えて、有限のねじれ剛性は、モーターの運動エネルギーの一部をポテンシャルエネルギーに変換し、後で放出することによりエネルギーを蓄積します。この遅延エネルギー放出は、負荷振動を引き起こし、共鳴を誘発し、最大の使用可能なチューニングゲインを減らし、サーボシステムの応答性と沈降時間に悪影響を及ぼします。すべての場合において、バックラッシュを減らし、システムの剛性を高めると、サーボのパフォーマンスが向上し、チューニングが簡素化されます。

回転軸サーボモーター構成

最も一般的な回転軸構成は、ポジションフィードバック用の内蔵エンコーダと、必要なトルクと負荷のトルクと速度にモーターの利用可能なトルクと速度を一致させるギアボックスを備えたロータリーサーボモーターです。ギアボックスは、負荷マッチング用のトランスの機械的アナログである一定の電力デバイスです。

改良されたハードウェア構成により、ダイレクトドライブロータリーサーボモーターが使用され、荷重をモーターに直接結合することにより伝送要素が排除されます。 Gearmotor構成では、比較的小さな直径シャフトへのカップリングを使用しますが、ダイレクトドライブシステムは荷重をはるかに大きなローターフランジに直接ボルトで固定します。この構成は、バックラッシュを排除し、ねじれの剛性を大幅に増加させます。ダイレクトドライブモーターの高い極カウントと高トルク巻線は、ギアモーターのトルクと速度の特性を10：1以上のトルクと速度の特性と一致させます。