フレームレス トルク ジョイント モーターがロボットのパフォーマンスと制御精度をどのように向上させるか

高度な産業オートメーション、高積載量の協働ロボット (協働ロボット)、外科用医療アーム、多軸防御システムへの世界的な推進により、電気機械アクチュエータに対する極端な要求が高まっています。従来のパッケージ化されたサーボ モーターは、多くの場合、ジョイント設計に過大な嵩、過剰重量、および機械的コンプライアンスを追加します。限られたスペース内で流動的で高トルクの動きを実現するために、最新の設計エンジニアは統合されたフレームレス トルク ジョイント モーターに目を向けています。

ステーターとローターを機械の構造ハウジングに直接埋め込むことで、これらの統合キットは不必要なシャフト、ベアリング、カップリングを排除します。ただし、コンパクトなジョイントで真の精度を実現するには、単なる基本的な統合以上のものが必要です。高度な磁気調整、正確なフィードバック機構、および合理化されたシステム接続が必要です。

💡 高度な磁気設計: コギングを軽減しながらトルク密度を最大化

高精度のモーション制御では、モーターの性能は熱境界と固有の磁気摩擦によって制限されることがよくあります。標準的なフレームレス モーターは、低速時の位置決め精度を低下させる深刻なコギング トルク (ローターの磁石とステーターのスロット間の周期的な磁気吸引力) に悩まされることがよくあります。

これらの制限に対処するために、最先端のロボット ジョイントは最適化されたモーター スロット設計を実装しています。ステーター スロットの正確な幾何学的なスキューを計算するか、ローター上の永久磁石のレイアウトを変更することで、エンジニアはコギングの影響を大幅に軽減できます。この設計により、非常に高いトルク密度が得られ、スムーズな回転を維持しながら単位体積あたりの最大トルク出力を確保します。

● 卓越した低速制御:この最適化された磁気アーキテクチャのおかげで、システムは低速でも正確な制御を維持します。これにより、ローエンドのダイレクトドライブ構成によく見られるスティックスリップの問題が解消されます。これは、高精度の溶接、微細アセンブリ、繊細な外科用途に不可欠です。

● 低振動・静音動作：構造チューニングにより高速応答、安定動作、低振動・低騒音を実現しました。高周波音響共振を除去することは、医療手術室や共同作業が行われるクリーンルームの作業スペースにとって特に重要です。

🛠️ 機械運動学: 高精度遊星減速機の統合

フレームレス モーター キットは生の電磁トルクを提供しますが、その電力を使用可能なロボット関節関節に変換するには、高性能の減速システムが必要です。高度なヘリカルギアプロファイルを備えた高精度遊星歯車減速機を統合することで、非常にコンパクトで堅牢なソリューションが提供されます。

超低バックラッシュキャリブレーション:標準的な市販ギアボックスでは大きなバックラッシュが発生し、位置の再現性が損なわれます。プレミアム統合ジョイントは、歯元の真円度が 3 分未満であることが特徴です。この厳しい幾何公差により、優れたねじれ剛性が保証され、双方向サイクル時のロストモーションが最小限に抑えられます。

迅速な方向反転:フレームレス ローターの低慣性とヘリカル遊星歯車の正確な嵌合により、モーターの方向を迅速に反転できます。アクチュエータは、機械的衝撃を与えたり、ドライブトレインに負担をかけたりすることなく、高負荷下でも瞬時に回転できます。

🏢 クローズドループインテリジェンス: iHF グループの作動基準

産業用ロボットの製造業者やオートメーション システム インテグレーターにとって、さまざまなベンダーの個別のステーター、ローター、波動歯車、エンコーダーを組み立てることは、製造上の煩わしいボトルネックとなります。コンポーネント間の互換性がない場合、多くの場合、信号遅延、熱膨張の問題、複雑な校正手順が発生します。

これらの業界の課題を解決するために、iHF グループは完全に統合された高性能モジュラー ジョイント ソリューションを開発しました。高精度のダイレクト ドライブ テクノロジーと高度なフィードバック ハードウェアを組み合わせることで、iHF グループのシステムは、箱から出してすぐに比類のないダイレクト ドライブ パフォーマンスを提供します。

⚙️ 真の多変数閉ループ制御: iHF グループのコントローラーは、トルク、速度、位置の完全で確定的な閉ループ制御を実現します。高度なフィールド指向制御 (FOC) アルゴリズムが電流プロファイルをリアルタイムで処理し、非常に動的な動きでも追跡エラーを防ぎます。

📊 デュアルエンコーダフィードバックアーキテクチャ:重負荷時の物理的なギアのたわみによって引き起こされる位置決めエラーを排除するために、システムはデュアルエンコーダをサポートし、フィードバック制御の精度をさらに高めます。高分解能のインクリメンタルまたはアブソリュート エンコーダは高速モーター シャフトを監視し、セカンダリ アブソリュート エンコーダは低速出力ジョイントを直接監視します。このセットアップでは、リアルタイムで小さな微小なたわみを継続的に測定して補正します。

🔌 システム トポグラフィの合理化: デイジーチェーン アーキテクチャ

ロボット システムに 7 軸協働ロボットや複雑な人型構造物などの軸が追加されると、内部配線織機の管理が非常に複雑になります。専用の電源ケーブルとフィードバック ケーブルを中央制御キャビネットからすべてのジョイントに通すと、ケーブルの束が太くなり、ジョイントの動きが制限され、連続的なねじれによる故障のリスクが高まります。

最新の高密度ジョイントは、省スペースのシリアル通信レイアウトを組み込むことでこの問題を克服しています。このシステムは複数のユニットのデイジーチェーン構成をサポートしており、電源供給とデータ送信を容易にします。各ジョイント内に局所的なマイクロドライブを埋め込むことで、単一の共有 DC 電源バスと高速産業用イーサネット ケーブル (EtherCAT や CANopen など) を 1 つのジョイントから次のジョイントに順番に配線できます。これにより、ケーブルの総重量が大幅に軽減され、物理的な配線が簡素化され、システム全体の信頼性が向上します。

❓ 技術的な詳細: 業界 Q&A

Q1: デュアルエンコーダ設定は、時間の経過による機械的磨耗をどのように防ぐのですか?

A: シングル エンコーダ システムでは、長年の使用により遊星歯車に軽度の磨耗やバックラッシュが発生しても、コントローラは出力フランジの物理的エラーを認識しないままになります。 iHF グループが提供するデュアル エンコーダ サポートを利用することで、セカンダリ エンコーダが実際のツールの位置を直接監視します。減速機内部で機械的摩耗が発生した場合でも、閉ループシステムが自動的にその変動を補正し、ロボットが動作寿命全体にわたってミリメートル未満の精度を維持できるようにします。

Q2: 高トルクのジョイント用途では、なぜ平歯車よりはすば歯車が好まれるのですか?

A: はすば歯車は、一度にかみ合うのではなく、徐々にかみ合う角度の付いた歯のラインを特徴としています。この漸進的な歯の接触により、総接触率が大幅に増加し、高い機械的負荷が複数の歯に分散されます。このレイアウトにより、歯元の真円度を 3 分未満にすることが直接可能になり、音響ノイズが低減され、突然のトルク スパイクに必要な優れたねじり強度が得られます。