機械設計（モータとカム駆動）パート２

質問

度々失礼します。
前節の質問による回答から徐々に成長してまいりました。
早速ですが、今回はモータの選定について悩んでおります。
リバーシブルモータ（ギアヘッド付）を用いて重量10kgの物体を50mm持ち上げたいと考えております。今回はカムを用いていますが、詳細な計算は避け、単にカムの最高到達点での10×9.8×5=490kgf・cmのモーメント（トルク）に耐えうるモータを選びたいと思います。
モータの起動トルク1.2kgf・cm、定格トルク1.35kgf・cm、定格回転数1200rpmとし、ギアヘッドの減速比180、許容トルク50kgf・cmであります。
たぶん情報は全く足りないと思いますが、モータの選定が合っているか確認するには、どのように進めていけばよいのでしょうか？
些細なことでも構いませんので、よろしくお願いします。

回答No.1

hirombo · ベストアンサー

＞モータの定格トルク1.35kgf・cm、ギアヘッドの減速比180、許容トルク50kgf・cm

15Ｗ程度のモータでしょうか？
減速比180のギアヘッドの効率を50％としてもモータ定格トルクから計算した出力トルク計算値は　1.35×180×0.5＝121.5kgf・cmになるのでギアヘッド許容トルク50kgf・cmは強度不足ですね。
もう少し強度のあるギアヘッドとの組合せは選択できませんか？
オリエンタルモータの製品でしたら別機種に許容トルク100kgf・cmのものがあると思います。

話の順序が逆なのですが

＞単にカムの最高到達点での10×9.8×5=490kgf・cmのモーメント（トルク）に耐えうるモータを選びたいと思います。

の部分で所要トルクの計算が理解出来ません。
質量：10kg＝重量：10kgfの物体がカムの最高到達点で減速機出力軸に5cmの回転半径で負荷の反抗トルクがかかると仮定しても×9.8の部分が理解出来ません。
×9.8とした時に単位がkgf・cmからN・cmに変わっているのではないですか？
補足をお願いします。

補足

作用でございます。単位が間違いです。申し訳ないです。
追加ですが、カムの形状の考えていきたいと思うのですが、モータにかかる負荷が一番大きいのはカムの角度が最も急になっている箇所になるのでしょうか？最高到達時（50mm）ではローラを停止させたいのです。

回答No.3

hirombo

＞モータにかかる負担が一番大きくなるのは移動速度が速いとあるのですが、等速運動の場合はどうなるのでしょうか？カムは軸を対称とした変形台形なのですが・・・・

＃２の回答で「常識的にはモータにかかる負荷は駆動機構のいかんに係らず、ワークの移動速度が一番速い所が一番大きくなります。」としたのは慣性負荷の加速トルクを無視した少し乱暴な言い方になります。
ワークの移動速度が一番速い所はモータから見た等価的な減速比が一番小さいので、その他の条件が同一ならモータにかかるトルクが一番大きくなると言う意味です。

今回のカム駆動の場合はワーク重量を保持する為の力を受けるのはカム軸であり、モータが負担するのは加速トルクと摩擦による反抗トルクのみになります。（昇降軸をカム軸の真上に配置して考えると理解し易いと思います。）
つまりワークが静止する上昇端と下降端は理論的にはモータ所要トルクはゼロ、また等速運動中は摩擦による反抗トルクのみになります。
モータ所要トルクが最大になるのは、ワークが下降端から上昇を始めて等速運動に入るまでの加速部分になると思います。

補足

徐々にモータとカムについて勉強になりました。加速部分における反抗トルクを計算した結果、0.7N・mとなり、最初の計算結果とは大きく異なりました。
今後はこの計算結果からモータの寿命について考えていきます。また何かありましたらよろしくお願いします。

回答No.2

hirombo

＞カムの形状の考えていきたいと思うのですが--

始めにタイミング線図の作成が必要ですね。
ワークの重量と昇降ストロークは分りましたが、昇降スピードはいくらにするか、上昇端、下降端で停止が必要か、必要な場合それはどの程度の時間か、カムの形状のみでその時間を取るか、駆動モータをOFFしてその時間を取るか---

単純に昇降動作のみであれば、カム機構以外にもクランク機構でもOKですし、ラックピニオンでもOKと思います。
ラックピニオンの場合は上昇端、下降端でモータを一旦停止しその後モータを逆転して反対に動くことになります。
ラックピニオンを使用する場合はリニアヘッドという名前で小型モータにオプション部品が用意されています。
上昇端での停止位置精度が必要であれば、昇降速度、停止位置精度の要求にもよりますがスピードコントロールモータ（あるいはインバータ）を使用して停止位置のすこし手前から低速運転すればかなりの停止精度が出ると思います。
上昇端での停止中に落下するのを防止するためブレーキ付きのモータが必要になります。

昇降速度が高速で、非常に滑らかな運転が要求されるならカム駆動が良いと思いますが、その場合のカムはその変移曲線が変形正弦、変形台形等のちゃんとしたカムを用意することが必要になります。

＞モータにかかる負荷が一番大きいのはカムの角度が最も急になっている箇所になるのでしょうか？

常識的にはモータにかかる負荷は駆動機構のいかんに係らず、ワークの移動速度が一番速い所が一番大きくなります。（部分的にメカのロスが大きい所が存在する場合は除きます。）

補足

なるほど。今回は低速稼動ですが滑らかな運動が要求されますので、やはりカムを用いてローラのころがり接触にしようと思います。また、上昇端や下降端では停止させる必要なのでカムの形状はモータのバックラッシをある程度考慮して停止区間は径を一定に保つようにしました。

モータにかかる負担が一番大きくなるのは移動速度が速いとあるのですが、等速運動の場合はどうなるのでしょうか？カムは軸を対称とした変形台形なのですが・・・・

またまたよろしくお願いします。