工場の組立ライン、マテリアルハンドリングステーション、または小規模製造セルが部品を正確に動かすのを見たことがあるなら、その作業の背後に 3 軸サーボロボットがあった可能性があります。これらのコンパクトで信頼性の高いロボットは、そのシンプルさ、手頃な価格、一貫したパフォーマンスが高く評価され、多くの作業の主力製品です。しかし、3 軸サーボ ロボットの各軸の耐荷重はどれくらいですか?
これらのロボットのサプライヤーとして、私はほぼ毎日この質問を受けます。それは簡単なことではありません。特に個々の軸の負荷容量の計算を誤ることは、早期の摩耗、ダウンタイム、さらには部品の損傷につながるよくある間違いです。長年にわたり、私は小規模な新興機械工場から大手自動車部品メーカーまであらゆる企業と協力してきましたが、各軸の負荷を適切に設定することがロボットの寿命にどのように影響するかを直接見てきました。
まず、全員が同じ認識を持っていることを確認するために、少し話を戻しましょう。3 軸サーボ ロボットには、ほとんどの場合、肩、肘、手首の軸と呼ばれる 3 つの主要な動作軸があります。用語を混同する人もいますが、耐荷重を考えると、各軸をロボットのアームの特定の部分を動かすジョイントと考えるのが最も簡単です。ベース軸 (J1 軸と呼ばれることが多い) は腕全体を左右に回転させ、肩軸 (J2) は上腕を上げ下げし、肘軸 (J3) は前腕を伸縮させます。一部の小規模な 3 軸設計では、手首が回転ジョイントではなく固定エンド エフェクターに簡略化される場合があります。ちょっと待ってください。実際のところ、はっきりさせておきます。一部のサプライヤーは主要な 3 つの関節のみをカウントしているため、J1、J2、J3、およびエンド エフェクターのグリップは軸ではなく別個のツールです。これは負荷の測定方法を変えるため、重要な違いです。
さて、耐荷重はロボット全体の単一の数値ではなく、軸ごとに異なり、アームの各セグメントの長さ、移動速度、エンドエフェクター (グリッパーや吸盤など) の重量、さらにはロボットの起動と停止の頻度など、いくつかの要因によって決まります。たとえば、重い部品をゆっくりと動かすロボットは、加速と減速によって関節に力が加わるため、同じ部品を全速力で動かすロボットよりも実効負荷が高くなります。
ここで当社が提供する標準的な 3 軸サーボ ロボットに基づいて、各軸を詳しく見てみましょう。
ロボット アーム全体を水平方向に回転させるベース軸である J1 軸から始めます。これはベースの「肩」であり、上腕、前腕、エンドエフェクター、および運ばれるあらゆる荷重の全重量を支える役割を果たします。つまり、最も耐荷重性の高い軸ということですね。実際、いつもではありません。待って、いや、ここでは正確に言いましょう。マテリアルハンドリングと簡単な組み立て用に設計されたほとんどの 3 軸ロボットの場合、J1 軸はアームを完全に伸ばした状態で総ペイロードを処理できるように構築されています。ロボットの最大到達距離が 1 メートルで、アームを完全に伸ばす場合、J1 はその全荷重に加えて、延長した長さによって生じるレバー アームからのトルクをサポートする必要があります。お客様がよく犯す間違いは、「私の部品が 5kg なら、どの軸も 5kg に耐えられるだろう」と考えることです。しかし、それは全く真実ではありません。腕を完全に伸ばすと、J1 軸は 5kg の部分だけでなく、回転するときにその重量が外側に引っ張る力にも抵抗しなければなりません。そのため、当社の標準的な 3 軸サーボロボットの J1 軸の耐荷重は、モデルによって異なりますが 10kg ～ 20kg です。しかし、それは完全に手の届く範囲にあります。最大リーチの半分で操作している場合、J1 はさらに多くの重量に耐えることができます (一部の高耐久モデルでは最大 30kg)。
次にJ2軸、上腕を上げ下げする肩の軸です。この軸はアームの下部、前腕、ペイロードをサポートする役割を担っていますが、J1 のように水平回転の全トルクに抵抗する必要はありません。その代わりに、アームが上下に動くときの垂直荷重に対処する必要があります。負荷容量は、ほとんどの動作範囲において J1 よりもわずかに低くなります。たとえば、腕を中程度に伸ばした状態では、J2 軸は通常 8kg から 15kg までの重量に耐えることができます。ここでのトレードオフは速度です。アームをポジション間で素早く移動させる場合、J2 はその上向き/下向きの動きを加速するためにより多くのトルクを生成する必要があるため、高速になると実効負荷容量が低下します。そのため、私たちは常にお客様に、ロボットの速度を負荷要件に合わせるようにアドバイスしています。最大に近い負荷で最大速度でロボットを実行すると、J2 軸のベアリングの早期摩耗につながり、将来的には修理に多額の費用がかかることになります。
次に、前腕を伸縮させる肘の軸である J3 軸があります。これは 3 つの主要軸の中で耐荷重能力が最も低く、最も見落とされがちな軸です。 J3 軸は、アームが完全に伸長または収縮しているときに、フォアアーム、エンドエフェクタ、およびペイロードの重量のみをサポートします。前腕はレバーになっているため、前腕を完全に伸ばすと、J3 はアームの端からの曲げ力に抵抗する必要があります。耐荷重は通常 5kg ～ 10kg ですが、これもモデルと動作範囲によって異なります。この軸が難しいのは、この軸がアームの端に最も近いため、ここの部分に小さな過負荷がかかるだけでも関節に重大なストレスを引き起こす可能性があることです。数年前、小さな金属スタンピングを移動するために 3 軸ロボットを購入した顧客のことを思い出します。彼は伸ばした前腕の先端に部品を積み込んでおり、半年以内にJ3のギアボックスを壊し続けた。彼は、J3 の容量が他の 2 つよりも低いことを認識していなかったために、わずか 5 kg の定格の軸に 8 kg の部品を取り付けていたことが判明しました。 J3 のより高い容量を備えたモデルに切り替えると、ダウンタイムはほぼゼロに減少しました。
ここで、これらの数字を変える要因について話しましょう。これらの数字は決まったものではないためです。まずは腕の長さ。当社には、500mm リーチ、800mm リーチ、さらに長いリーチのモデルがあります。ただし、リーチが長いアプリケーションの場合、多くのお客様は、長時間の作業でより高い精度を提供する 5 軸サーボ ロボットなどの多軸ロボットに移行します。ちょっと待ってください。そう言えば、アプリケーションで 3 軸が提供できる以上の柔軟性が必要な場合、高負荷とより複雑なパス向けに構築された汎用 5 軸サーボ ロボットや 5 軸 AC サーボ駆動マニピュレータを含む、当社の 5 軸ラインが優れたオプションです。もう 1 つの要素はエンドエフェクターです。空気圧グリッパーの重量は 1kg である場合がありますが、カスタム油圧グリッパーの重量は 5kg である可能性があり、各軸の負荷を計算するときにその重量をペイロードに追加する必要があります。これは、ロボットの見積もりを作成するときに常に確認していることです。使用しているツールの重量を尋ね、それに応じて推奨容量を調整します。
スピードもまた大きなポイントです。当社のすべての負荷容量定格は、連続使用の標準動作速度に基づいています。毎日、終日 100% の速度でロボットを実行している場合、ロボットの寿命を延ばすために実際の積載量を 15 ～ 20% 減らす必要があります。低速で精密な操作に使用している場合は、定格容量に近づけることができます。また、デューティ サイクル - ロボットを停止および起動する頻度。サイクル時間が非常に頻繁なアプリケーション (2 秒ごとに部品を選択して配置するなど) では、すべての軸により多くの負荷がかかるため、ここでは負荷が低い方が優れています。
「より高い耐荷重が必要な場合、3 軸ロボットをアップグレードする方法はありますか?」とよく質問されます。簡単に言うと、各軸のモーター、ギアボックス、ベアリングは特定の負荷に合わせてサイズ設定されているため、通常はそうではありません。だからこそ、最初から正しく理解することが重要です。重いペイロードを扱っている場合、またはベースから遠く離れた可動部品が必要なアプリケーションの場合は、3 軸が最適ではない可能性があり、より長いアームのモデルまたは多軸設計の方が優れたパフォーマンスが得られます。たとえば、広い作業領域に手を伸ばす必要がある場合、当社のプロフェッショナル超ロングアーム長マニピュレーターは、一貫した耐荷重を維持しながらリーチを延長できるように設計されています。
多くの人は、3 軸ロボットが他のタイプと比べてどうなのか疑問に思っています。 50kg 以上の部品の移動など、非常に高負荷のアプリケーションの場合は、パラレル ロボットがオプションになる可能性がありますが、非常に高速で軽量なペイロードにはパラレル ロボットの方が適しています。 3 軸サーボ ロボットは、耐荷重、コスト、シンプルさのバランスが取れているため、非常に人気があります。 5 軸ロボットよりもプログラムが簡単で、小規模から中規模の作業セル向けの大型産業用アームよりもコンパクトです。もちろん、お客様のニーズが高まった場合には、重高速ダイカスト作業用に設計された 5 軸ダイカスト ロボット ラインもご用意しています。これは、標準の 3 軸モデルよりもはるかに高い総負荷を処理できます。
これは、私が顧客との長年の仕事を通じて学んだヒントです。ロボットの総積載量だけを見るのではなく、各軸、特に J3 軸の個別の積載量に注目してください。ほとんどのメーカーはロボットの仕様書に総積載量を記載していますが、軸ごとの容量の内訳は記載されていません。これは長期的な信頼性のために実際に必要なものです。当社では、お客様が不意を突かれることがないように、各軸の負荷容量、リーチ、速度、その他の仕様の完全な内訳を常に提供しています。
もう 1 つのよくある間違いは、モーメントアームの判断を誤ることです。モーメントアームは軸から負荷の重心までの距離です。たとえば、800mm の前腕の先端に 10kg の部品がある場合、モーメントは 10kg * 0.8m = 8kg・m となり、J3 軸に大きな力がかかります。同じ部分を前腕の途中で動かすと、モーメントは 10kg * 0.4m = 4kg・m に低下するため、J3 軸はこれに簡単に対応できます。そのため、各軸に対して荷物がどこに配置されているかを理解することは、荷物の重量を知ることと同じくらい重要です。
各軸に必要な耐荷重がまだわからない場合は、当社のチームにお問い合わせいただくのが最善の方法です。当社は、何百人ものお客様が、特定の用途、積載量、リーチ、速度の要件に基づいて適切な 3 軸サーボ ロボットを選択 (または多軸モデルにアップグレード) できるよう支援してきました。たとえば、エレクトロニクス業界の顧客は、回路基板を扱うために 5 kg の J1 容量を備えた小型 3 軸ロボットを必要とする可能性がありますが、金属スタンピングの顧客は、大型のスタンピングを移動するために、より重い 20 kg の J1 モデルを必要とする可能性があります。また、時間の経過とともにニーズが変化する場合には、お客様と協力してセットアップを調整し、エンドエフェクターやその他のコンポーネントの統合に関するサポートも提供します。
3 軸サーボ ロボットを選択する際の要素は耐荷重だけではないことにも言及しておきます。精度、再現性、エネルギー効率、プログラミングの容易さはすべて重要ですが、その基礎となるのは耐荷重です。適切な場所に到達でき、高速に移動でき、プログラミングが簡単なロボットでも、J3 軸に過負荷がかかり故障した場合は役に立ちません。
明確であることを確認するために、簡単な要約でこれを締めくくります。標準的な 3 軸サーボ ロボットの場合、各軸には個別の耐荷重があり、J1 (ベース) 軸が最も強く、次に J2 (肩)、次に J3 (肘) が最も弱くなります。これらの数値は、アームの長さ、速度、エンドエフェクターの重量、および負荷の軸からの距離に基づいて変化します。ロボットを限界まで追い込むよりも、必要な負荷を過小評価し、必要と思われるよりも少し高めに設定することをお勧めします。これにより、メンテナンスやダウンタイムの増加につながります。
3 軸サーボ ロボットの市場に参入している場合、またはより重いアプリケーションやより柔軟なアプリケーションのために多軸ソリューションへのアップグレードを検討している場合は、私たちがお手伝いします。当社のチームは仕様を詳しく説明し、軸ごとの負荷容量に関する質問に答え、お客様の業務に適したロボットを見つけるお手伝いをします。小型の汎用モデルから、特定の業界に特化したロボットまで、ニーズに合わせたオプションをご用意しています。
参考文献:
- 産業用ロボット: 負荷容量と軸性能、ロボット工業会、2022 年
- サーボ ロボットの設計: トルクと負荷の計算、機械工学ジャーナル、第 15 巻、第 3 号、2021 年
- マテリアル ハンドリング ロボットのアプリケーション: ペイロードに関する一般的な誤解、Manufacturing Engineering Magazine、2023 年
- 産業用ロボットの性能仕様、ISO 10218-1:2011
負荷要件、アプリケーションのニーズについて話し合ったり、カスタム見積もりをリクエストしたい場合は、当社のチームにお問い合わせください。お客様の業務に適した 3 軸サーボ ロボットの選択に関する専門的なガイダンスが受けられます。