ボールねじを使った1軸リニアアクチュエーターの性能向上：CAEと計測技術を使った振動・騒音対策（15）（1/6 ページ）

“解析専任者に連絡する前に設計者がやるべきこと”を主眼に置き、CAEと計測技術を用いた振動・騒音対策の考え方やその手順を解説する連載。連載第15回では、ボールねじを使った1軸リニアアクチュエーターの性能向上について考える。

[高橋良一／ＲＴデザインラボ 代表，MONOist]

　今回はボールねじを使った1軸のリニアアクチュエーターの性能向上について説明します。「OpenModelica」（参考文献［1］）というシミュレーションソフトを使います。費用はかかりません。

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参考文献：

• ［1］OpenModelica Webサイト（https://openmodelica.org/#）

機械の生産性向上と精度向上

　生産に使われる機械は、単位時間当たりの生産量増加が常に求められます。生産性向上ですね。そのためには、機械の動作スピードをアップ（急加速、急停止）する必要があります。図1に、機械の動作スピードをアップさせたときの振動のイメージを示します。

図1　位置決めに要する時間［クリックで拡大］

　赤色グラフがスピードアップ後、青色グラフがスピードアップ前の1軸アクチュエーターの可動部の位置です。スピードアップにより機械の振動が増大し、位置決め完了に要する時間が伸びるか、決められた時間で打ち切れば位置決め精度が低下します。この結果、製品品質が低下します。つまり、スピードアップの効果が打ち消されてしまいます。

　さらに、位置決め完了時には少しだけ振動成分が残っています。この振動量を許容値としましょう。製品の小型化や高精度化によって許容値が小さくなります。その結果、位置決めに要する時間が伸び、単位時間当たりの生産量が低下します。

　前述した関係を図2で表現しました。生産性を向上させると製品品質は低下し、逆に製品品質を上げようとすると生産性は低下します。生産性と製品品質は相反する関係にあります。

図2　生産性と製品品質［クリックで拡大］

　図2の相反には終わりがないため、常に機械の性能向上が求められることになります。今回はメカ的な発想で機械の性能向上施策を述べたいと思います。答えを先に言っておくと、制御は市販のサーボパック任せ、メカは剛性向上ということになります。

1軸アクチュエーター

　図3に1軸アクチュエーターを示します。モーターでボールねじを回すもので、前回で出てきたX軸テーブルです。モーターの回転をボールねじによって直線運動に変換してステージを移動します。「LMガイド（Linear Motion Guide）」（※注1）は「直動ガイド」とも呼ばれます。

※注1：「LMガイド」はTHK株式会社の登録商標です。

図3　1軸アクチュエーター［クリックで拡大］

　運動の自由度はX方向平行移動、Y方向平行移動、Z方向平行移動、X軸周り回転、Y軸周り回転、Z軸周り回転と6自由度ありますが、LMガイドによってステージの運動をX方向平行移動だけの1自由度に制限します。図1のグラフの縦軸はA点の位置だとお考えください。

フィードバック系

　図3のA点の位置は、モーターの総回転数とボールねじのピッチで決まります。ステッピングモーターを使っている場合はモーターに入力するパルス数で決まります。サーボモーターを使う場合はフィードバック系を構築します。フィードバック系の例を図4に示します。

図4　フィードバック系［クリックで拡大］

　図4の白丸（〇）は引算器です。目標位置と現在位置の差を計算します。ゲインは掛算器で、目標位置と現在位置の差を何倍かにします。この倍率を「ゲイン」といいます。ステッピングモーターを使う場合はパルス数を先にきっちりと計算しておき、それをモーターに入力する必要がありましたが、フィードバック系ではこの計算は不要です。制御対象が恒温槽であれば、ヒーターに流す電流値を事前に求めておく必要はありません。フィードバック系がよろしく計算してくれます。

　制御対象を人間、目標位置を仕事のスケジュール、現在位置を仕事の進捗（しんちょく）としましょう。仕事の納期を10日とすれば、1日目の仕事の進捗量は10［％］、5日目の進捗量は50［％］となるはずで、これが目標位置になります。

　例えば、5日目の実際の進捗が40［％］だったら、仕事の遅れは10［％］、つまり目標位置と現在位置との引き算の結果は10［％］になります。この程度であれば、上司の催促も「高橋君、あの仕事どう？」くらいで済むでしょうか。真面目な社員であれば、残業したり、他の仕事との優先順位を変えたりして、何とか遅れを取り戻そうとします。次に、8日目の実際の進捗が50［％］になりました。仕事の遅れは30［％］です。これくらいになってくると、上司から「高橋君、ちょっと会議室で話そうか」と呼び出されたり、叱咤（しった）激励を受けたりする可能性が出てきます。

　図4のゲインは、叱咤激励の言葉の強さに相当します。仕事の遅れ量が大きいほど、厳しい叱咤激励の言葉となります。制御対象が人間の場合、どんなにゲインを上げても効果がないことがありますが、相手が機械だと、ゲインを上げればそれなりの反応をしてくれます。