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大学院講義 メカニカルデザイン基礎
2011.5.13
機械物理工学専攻
岩附信行
駆動系の設計- アクチュエータ・減速機の選択 -
1. アクチュエータの分類
従来形アクチュエータ:
・低出力・非線形性・空気配管要
・低価格・柔軟・清浄
ピストン-シリンダ空気圧アクチュエータ
・システムが大きい・油漏れ
・高出力・高速応答・高剛性
歯車モータピストン-シリンダ
油圧アクチュエータ
・減速機必要・低出力
・動力供給容易・高速応答・制御が容易
DCモータACモータステッピングモータ
電磁アクチュエータ
短所長所詳細種類
さまざまな用途には電磁アクチュエータが適している
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従来形アクチュエータの使用限界
限界周波数 Hz
発生
動力
kW
油圧アクチュエータ限界
空気圧アクチュエータの限界
電磁アクチュエータの限界
圧電アクチュエータのみ実用化
新しい機能材料アクチュエータ:
・微小変位・非接触動力供給光歪アクチュエータ
・高電流・耐久性
・流体パワー磁性流体アクチュエータ
・危険性・柔軟水素吸蔵合金アクチュエータ
・低応答・耐久性
・筋肉に類似メカノケミカルアクチュエータ
・高電流・脆弱
・大変位超磁歪アクチュエータ
・微小変位・高電圧・ギャップの制御
・単純構造・MEMSへの応用静電アクチュエータ
・低応答・柔軟構造・容易な制御
形状記憶合金アクチュエータ
・微小変位・温度特性・脆弱・高電圧要・ヒステリシス
・超音波モータへ応用・超精密制御・大発生力・高速応答
圧電アクチュエータ
短所長所種類
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構造NECトーキン(PZT)
積層圧電素子 (実用化された圧電アクチュエータ)
日本セラテック(PZT)
電力供給線
内部電極
外部電極
ガラス層
PZTセラミック
超音波モータ(圧電アクチュエータの応用)
回転
直動
だ円運動
進行波
超音波モータも実用的ただし支配的ではない
黒澤ら
新生工業
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2. DCモータの特性
DCモータの駆動原理
電機子コイル永久磁石
ブラシ
電機子コイルの両側にローレンツ力が作用する
[m][Wb/m][A]:
:辺長
:磁束密度 電流
lBi
iBlF =
同じもの
トルク定数:
発生トルク:
iKniBlr
nFr
T==
=
22τ
発生トルクは電機子電流に比例
nBlrKT 2= [Nm.A]
誘導起電力が発生:ファラデーの法則:
ωω
EKnBlrBlVne
==
⋅=
22
誘導起電力は回転速度に比例
誘起電圧定数: nBlrK E 2=[Vs/rad]
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印加電圧方程式:RieE += R: 電機子抵抗 [Ω]
印加電圧は誘導起電力と銅損の和
発生トルク,負荷トルク,慣性トルクのつりあい:
ωττ &JL += J : ロータ慣性 [kgm2]
代入して
ωτω&J
RKEK L
ET +=
−⋅
DCモータの運動方程式:
ER
KRKKJ T
LET =++ τωω&
回転速度に関する微分方程式
印加電圧 E, 回転速度ω,負荷トルクτL=τ 一定とすれば
RKEK ET )( ωτ −
=
DCモータの特性式
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角速度 ω rad/s
出力
トル
クτ
Nm
0
RKEK ET )( ωτ −
=出力トルクは角速度に逆比例
高い印加電圧では
低い印加電圧では
印加電圧を変化させてトルク,角速度を制御可能
最大トルク:R
EKT=maxτ
最大角速度:
EKE
=maxωDCモータのトルクー角速度の関係
DCモータの発生動力:
RKEKP ET ωωτω )( −
==
発生動力は角速度の2次関数
最大動力:
RKEK
KE
RKP
E
T
E
T
42
22
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−= ω
発生は (ω,τ)=(ωmax/2,τmax/2)で最大となる
RKEKPE
T
4
2
max = REK
KE T
E 2,
2== τω( )
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DCモータのトルク,動力-角速度関係
RKEK ET )( ωτ −
= RKEKP ET ωω)( −
=
DCモータの特性表の例 (メーカカタログより)
最大トルク,最大角速度,最大動力を計算できる
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3.DCモータの使用可能領域
Out
put t
orqu
eτ
Nm
Angular velocity ω rad/s
0
RKEK ET )( max ωτ −
=REKT max
max =τ
EKEmax
max =ω
maxω−
maxτ−DCモータは負荷によって駆動
反対向きに回転
モータのトルク-角速度曲線はこの領域の中になければならない
駆動不可能!
モータメーカも使用可能領域を示す
連続運転
加減速運転
間欠運転
逆運動学・逆動力学計算に基づいて必要な運動(角速度)と発生力(トルク)を求める
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4 DCモータの減速機
一般にDCモータは低トルク,高速回転
Out
put t
orqu
eτ
Nm
Angular velocity ω rad/s
0
maxτ
maxω
maxω−
maxτ−
減速機を用いることによりトルク-角速度特性を変更する!
ωL
τL
ωM
τM
減速比: n 減速効率:η
JL
JM減速機
DCモータ
慣性負荷
DCモータと減速機による慣性負荷の駆動
ML nωω 1
=
ML nτητ =
減速機の効果:
角速度の減少 :
トルクの増大:
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MLMMMJ ,ττω −=&
LLMLLJ ττω −= ,&
MLLM n ,, τητ =
DCモータと慣性負荷の運動方程式:
負荷を駆動するためのモータトルクと動力:
nJnJ LMLL
M ηωηττ&)( 2++
=
LLMLL
MMMJnJP ω
ηωητωτ&)( 2++
==
L
LL
τωω &, : 逆運動学解析による
: 逆動力学解析による
5. DCモータと減速比の選定
(1)逆運動学解析により最大関節入力角速度ωL.max を求める
(2)逆動力学解析により最大駆動トルク τL.max を求める
(3)DCモータの最大動力PL.max とそのときの関節入力角速度ωL.Pを求める
(4)最大動力PL.max を発生可能なDCモータを選定し,その発生可能な最大角速度ωM.maxを求める
(5)減速比を仮定する
,maxmax, τ
ητ
<n
Lmaxmax, ωω <Ln
max,
max
max
max,
L
L nωω
ηττ
<<
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(6)トルク-角速度曲線が使用可能領域に入っているかを確認する
(7)トルク-角速度曲線が使用可能領域に入るように減速比を修正する.必要に応じてDCモータも選定し直す.
(8)設定した減速比と減速効率を考慮して,実際の減速機を選定する.
(9)最大角速度,トルクを確認する
(10) 適切なDCモータと減速機が選定される
例. 以下の駆動関数で負荷を駆動
)]cos(1[21)( 0 T
ttLπθθ −=
)sin(2
)()( 0 Tt
Ttt LL
πθπθω == &
)cos(2
)()( 02
2
Tt
Ttt LL
πθπθω == &&&
(θ0=2π[rad],T=4[s],JL=20kgm2,τL=40[Nm])
選定例:
ωLτL
ωMτM
減速比: n 減速効率:η
JL
JM減速機
DCモータ
慣性負荷
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必要な最大動力:
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+=
⋅+≈
)(sin2
)cos(2
)(])([
002
2
Tt
TTt
TJ
ttJP
LL
LLLLL
πθπτπθπ
ωτω
&
Nm][5.79rad/s][464.2
]W[6.158
max,
max,
max,
=
=
=
L
L
LP
τω
DCモータの選定例
]Nm[85.1][rad/s9.468
]W[9.216
max,
max,
max,
=
=
=
M
M
MP
τω
23.19072.53 << n
8.0,160 == η n z
チェック
減速機無し 減速機あり
適切なDCモータと減速比が選定!
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6.さまざまな減速機(1)歯車対
平歯車内歯車
はすば歯車 ねじ歯車
かさ歯車 はすばかさ歯車 ハイポイドギア フェースギア
ウォームとウォームホイール
歯車1対で大きな減速比を得るのは難しい
(2)歯車列出力軸
モータ軸
ケース
玉軸受
平歯車
はすば歯車
出力軸 ウォームホイール
ウォームはすば歯車
玉軸受
モータ軸
多段歯車列のギアヘッドを購入可能
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(3)遊星歯車機構
出力軸入力軸 C
内歯車 S
遊星歯車 P
遊星腕
(a)S-C-P 形
入力軸 S
遊星歯車 P
外歯車 S
出力軸
内歯車 S(固定)
(回転)
(b)3S 形遊星歯車 P
出力軸遊星腕 C
太陽歯車 S(内歯車)
入力軸太陽歯車 S (外歯車)
(c)2S-C 形
遊星歯車機構は高い減速比が得られる
遊星歯車機構によるギアヘッド
内歯車
モータ軸
出力軸
太陽歯車
遊星歯車
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(4)波動歯車機構
コンポーネント
フレクススプライン
ウエーブジェネレータ サーキュラスプライン
0° 90° 180° 360°サーキュラスプライン
フレクススプライン
ウエーブジェネレータ
Reduction principle波動歯車装置は高い性能を有する(ただし少々高価)
7. 減速機の性能
(1)減速比(2)伝達トルク(3)伝達角速度(4)伝達動力(5)減速効率(6)伝達誤差(7)バックラッシ(8)剛性(9)重量(10)体積(11)価格 1τ 2τ 3τ
1θ
2θ3θ
Torque
Twis
t ang
le
Hysteresis loss
2K
3K
1Ko
maxτ
maxθ
Torque
Twis
t ang
le
Backlash
o
平歯車のバックラッシ
波動歯車装置のヒステリシス
高性能メカトロニクスシステムの設計のために,その他の性能も考慮
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8. DCモータと減速機の実例
DC モータ
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減速機(1)平歯車列
歯車の組み合わせを変えて減速比変更可能
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9.まとめ
(1)電磁アクチュエータが設備・制御の観点から実用的
(2)電磁アクチュエータには減速機が必要
(減速・トルク増加)
(3)DCモータの最大角速度,最大トルク,最大動力
は容易に求められる
(4)目的とする運動に必要な関節角速度,トルク,動力から適するDCモータと減速機を選定できる
(5)さまざまな減速機(特に遊星歯車機構からの派生)