メカトロニクス: 機械エンジニアのための電気に関する考慮事項トップ 5

Jun 25, 2023

デザインワールドスタッフより | 2010 年 8 月 9 日

電気ドライブおよび制御部門セールスおよびマーケティングマネージャー、Dan Throne 氏より

以前、電気技術者向けの機械的な考慮事項について説明しました。 ここで、相手側に話す機会を与えます。 ここでは、電気技術者の観点から、電気機械システムを担当する機械技術者に的を絞った 5 つのアドバイスを紹介します。

クリーンなデザインが質量と動作のバランスをとります。頑丈で耐久性のあるフレームは長年の振動や衝撃に耐え、軽量コンポーネントと組み合わせることで質量を削減し、小型のモーター/ドライブコンポーネントの使用を可能にします。

メカトロニクス システムは、機械要素と電気要素をインテリジェントに統合して、ますます複雑で要求の厳しい機能を実行します。 電気機械システムを設計する場合、機械エンジニアや電気エンジニアは、自分の専門分野のテクノロジー、コンポーネント、設計原則を強調する傾向があります。そのため、システムの運用コストが高くなり、メンテナンスの要求が増大し、最適なパフォーマンスが得られない可能性があります。 OEM やメーカーのメカトロニクス システムの設計と構築の支援に携わる電気エンジニアとして、私は非効率性や不必要な複雑さが意図せずして機械にどのように設計されるかを見てきました。

機械エンジニアが製造システムを設計する際に 5 つの重要な概念を考慮し、エレクトロニクス システムが製造プロセスに提供できる最大の価値と効率を導き出すことで、より優れたメカトロニクス システムを作成できます。

1: クリーンな設計を作成する優れたメカトロニクス設計は、優れた機械設計から始まります。最高のエレクトロニクスおよび電気システムは、不十分な機械設計を補うことはできません。 最も成功したデザインは「クリーン」です。 これらは、機械がどのような動きをしても長期的な安定性が「設計」されるように、材料と構造原理を使用した強力で剛性の高いフレームを特徴としています。

モーターが機械に取り付けられている場所には、必ず剛性のベアリングとサポートが使用されていることを確認してください。 これは、モーター シャフトがピロー ブロック ベアリングまたはギアボックス入力遊星歯車とずれて取り付けられているために発生する微小破壊によってシャフトがせん断されるのを防ぐのに役立ちます。 オペレーターが誤ってケーブルやコネクタを踏んで損傷を与えないように、モーターを機械の最適な位置に配置します。 また、過酷な環境からモーターを保護しながら、機械の翼基部の下に取り付けられたモーターにアクセスできる簡単なアクセス ポイントを備えた機械ガードを設計します。

最も重要なことは、クリーンなデザインが質量と動作のバランスをとっているということです。つまり、長年の振動や衝撃に耐える頑丈で耐久性のあるフレームと、機械の可動部品用の軽量コンポーネントの組み合わせです。 この組み合わせにより、質量が削減され、よりエネルギー効率の高い動作が実現され、機械用のより小型のモーター/駆動コンポーネントのサイズアップが容易になります。 私たちは長年にわたり、非常に革新的な機械の設計を数多く見てきましたが、クリーンな設計は、機械の寿命、堅牢性、総所有コストの削減に最も大きく貢献します。

2: モーターを負荷に直接結合します。効果的なメカトロニクスは「白紙の状態」の設計から始まります。 以前は、機械は、機械のライン シャフトに電力を供給する単一の AC モーターを中心に構築されることが多く、それにギアボックス、プーリー、スプロケット、チェーン ドライブ、および機械の各領域を同期して動かすためのその他の機械装置が取り付けられていました。これは、製造に動力を供給するためのアプローチです。それは文字通り産業革命の夜明けまで遡ることができます。

クリーンな設計は、マシンの寿命、堅牢性、総所有コストの削減に最も大きく貢献します。

このアーキテクチャを、移動する負荷に直接接続された個別のサーボモーターに置き換えることを検討してください。 このアイデアには、設計、機械コスト、運用面でさまざまな利点があります (驚くほど多くの機械設計が使用していません)。 まず、コストを考慮します。ギアボックスを追加するたびに、複数のコストが追加されます。追加の障害点が発生し、潤滑する必要があり、スペアパーツが必要です。 さらに、製品を切り替えるたびに機械の試運転中に補償する必要がある機械的なバックラッシュが追加されます。これは、今日のインテリジェントなドライブとサーボモーターによって排除されるモーションと軸の同期の複雑さです。

サーボモーターをサーボモーターが動作する領域のできるだけ近くに戦略的に配置すると、電気駆動コンポーネントの増加コストは、購入、機械加工、組み立て、構成に必要な機械コンポーネントと労働力のコストが削減され、ほぼ完全に相殺されます。 特に、複数のスプロケット、ギア、カムのセットを在庫する必要がなく、機械式ドライブの交換にかかる時間が不要になるため、機械の総所有コストを大幅に削減できます。

最終的に、この設計アプローチによりワインドアップとバックラッシュが大幅に軽減され、機械の試運転時間が短縮されます。 また、最新のダイレクト ドライブ、ダイレクト モーター、リニア モーターにより、より高いゲインを実行し、マシンのパフォーマンスを向上させることができます。

考慮事項 3: 電子ギアとカムの使用今日の電子ドライブとモーション コントロール プラットフォームは、機械エンジニアに、設計する機械の精度とパフォーマンスを向上させるための強力で柔軟なツールを提供します。 このテクノロジーを使用すると、機械上のすべてのドライブとモーターを電子的に同期できる仮想の「電子ライン シャフト」を作成でき、機械的なライン シャフトが不要になります。 その過程で、軸の同期と精度を劇的に向上させることができます。機械式ライン シャフトでは一般的な 1/16 または 1/32 インチから、電子式ライン シャフトでは 100 分の 1、さらには 1000 分の 1 インチに近い動作精度にまで向上します。

そして、この同期は機械的なバックラッシュをゼロにして達成でき、製品の詰まりも少なくなります。 また、機械をオンラインにするための多くの機械的調整や、機械を停止および再起動するたびにオペレーターが調整する必要もなくなります。

電子ギアリングとカムにより、機械の切り替えが完全にプログラム可能になります。たとえば、FlexProfile テクノロジーを使用すると、オペレーターは HMI 画面上のボタンを押すだけで機械のレシピをロードでき、制御およびサーボ システムに変更が加えられ、次の製品を実行できます。 。

FlexProfile カム テクノロジーにより、位置、速度、または時間ベースの動作プロファイルに基づいてマルチセグメント化されたカム プロファイルを構築できます。 HMI を介してレシピを変更して電子カムのセクションを変更すると、制御プラットフォームは機械のすべての動作要素にわたってカム プロファイルの残りの部分を自動的に最適化します。 これにより、袋密封時間や箱詰め機のフラップタッキングカム位置の変更などの変化があった場合でも、機械のサイクルタイムを短縮したり、よりスムーズなダイナミクスを実現したりすることができます。

考慮事項 4: エネルギー効率の高いテクノロジーの導入あらゆる製造作業で最も急速に増加しているコストの 1 つはエネルギーです。優れたメカトロニクス設計は、エネルギーを節約するように設計された電気駆動およびモーター システムの適用を通じて、これらのコストを制御するのに役立ちます。

重要な動作軸に直接接続されたサーボモーターを使用し、電子同期やカム動作も使用する機械では、サーボ システムの適切なサイジングにより、エネルギー効率の高い機械を作成できます。

適切なサイジングには、いくつかの動作要素 (モーターごと) を正確に評価する必要があります。つまり、軸を加速する必要がある速さ、移動しようとしている質量のサイズ、加速と減速の精度がどの程度である必要があるかなどです。 サイズを小さくすると、ドライブやモーターに負担がかかります。 サイズが大きすぎると、あまりにも少ない作業しか実行できないのに、過大な電力が消費されてしまいます。

Rexroth IndraDrive Mi 統合ドライブ/モーター システムなど、今日の最先端システムの一部には、エネルギー効率の高い機能であるバス共有が組み込まれています。 複数のドライブがデイジーチェーン接続され、同じバスから電力を共有します。 多くの多軸機械では、一部のモーターは速度に達するまで加速し (電力を消費)、他のモーターは減速します (電力を回生)。 バス共有では、加速モーターに最大電力を供給し、減速モーターからブリーダー抵抗器を介して熱を放出する必要がなくなり、電力が共有されるため、マシンの消費電力が大幅に削減されます。

さらにエネルギー効率の高い技術は回生電源と呼ばれます。 多くの機械では、複数のサーボモーターが同時に減速し、電源バスの電圧を過剰なレベルまで上昇させます。 旧世代の電気ドライブでは、余分な電気エネルギーが熱として放出されるため、電力が無駄になり、工場フロアの熱生成が増加し、追加のキャビネット冷却が必要になります。 回生電源を共有バス システムに接続すると、これまで無駄だった電力を共有バスを通じてフィードバックし、電力会社に売り戻すことができます。

機械的カップリングではなく、ダイレクト ドライブ、ダイレクト モーター、リニア モーターを使用することで、より高いゲインを実行するシステムを設計できます。

考慮事項 #5: トラブルシューティングを改善するために HMI を使用する ユーザーフレンドリーなインテリジェンスは、今日のタッチスクリーン HMI を通じて利用できるようになりました。 機械のレイアウト図や回路図を制御メニューや診断ツールに組み込むことで、機械の日常的な操作やトラブルシューティングをより適切に管理できます。 図面とインタラクティブな指導ツールは、問題が発生している場所を正確に示すだけでなく、オペレーターに生産を再開するためのタスクを段階的に実行させることもできます。

このような高度なグラフィックスを、サーボモーター駆動の機械に固有の分散インテリジェンスと組み合わせることで、機械の故障や障害を事前に防ぐことができます。 このような予知保全により、この機能を使用すると、機械設計者はドライブにフォールト トレランス バンドを設定し、ドライブのパフォーマンスを監視できます。 電気ドライブとモーターを使用すると、機械的性能に直接関連するさまざまな状態を監視できます。 負荷、温度、振動、トルク、ベルトの締め付け、歯車の噛み合いの変化はすべて、機械要素を動かす電気駆動装置やモーターのトルク プロファイルの変化を引き起こす機械的イベントです。 機械エンジニアはこれらのコンポーネントの許容範囲を設定でき、許容範囲を超えた場合は、問題が深刻になる前に修正するための次のステップについての具体的なアドバイスとともに、HMI を通じて予知保全アラートを明確かつインテリジェントにオペレーターに表示できます。生産上の問題、または機械に損傷を与える可能性のあるもの。

Rexroth の IndraDrive Mi 統合モーター/ドライブ システムを使用すると、複数のドライブがデイジーチェーン接続され、同じバスから電力を共有するため、エネルギー消費が大幅に削減されます。

最適な価値を実現するためのテクノロジーの融合あらゆる電気機械システムは、仕事を遂行するために必要なエネルギー、動作、コンポーネントの使用を最小限に抑えて、設計された機能を実行する必要があります。これがエンジニアの基本的な目標です。 電気ドライブおよびサーボモーター システムは、信頼性が高く、エネルギー効率が高く、デジタル インテリジェントなプラットフォームを豊富に提供し、メカトロニクスの統合ビジョンを強化して、より大きな価値とより革新的な製造および自動化ソリューションを実現します。

ここで説明する 5 つの考慮事項が、今日の電気ドライブと電気制御が提供する利点を実証し、特定の機械設計とエンジニアリングの課題を簡素化し、機械設計の革新と創造性を推進するための新しいリソースを提供するのに役立つことを願っています。

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