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ホーム > WEBマガジン SHINKAWA Times > メカトロニクス技術講座 > メカトロニクス技術講座 巧妙性実現の手段群(7)
掲載日:2015年10月06日

2 巧妙性実現の手段群(7)

2-2 円と直線の組合せが面白い第1世代・ヒンジとスライドのシステム

メカニズムの力特性の活用・理論上は無限大の力を得る(その2)

【メカニズムの出力実験①】 

図 2-16A は、以前、コップの水がこぼれないようにする駆動方法でおなじみの「クランク機構」の力特性を測定した実験です。

 

出力の力の測定は、出力スライドブロックとストッパとの間にロードセルを挟み、その出力値を記録するというきわめて単純な実験です。

 

しかし、入力の一定値化が問題です。

クランク機構モジュールの入力歯車をモータで駆動したのでは、駆動入力のトルクの値を一定の値に安定化することはいささか困難です。

そこで、空気圧系で駆動することを考えます。

ところが、空気圧シリンダの場合、駆動される機構の慣性による停止時の衝撃の影響があるのでこれを避けるため、駆動速度を十分低速にしますが、低速にするとスティックスリップが発生し、これも安定した一定推力に整えることが必ずしも容易ではありません。

 

そこで実験ではメカトロニクス技術研修モジュールの「空油変換シリンダ」を用いて、ラックアンドピニオンを駆動し、このピニオン側をクランク機構の入力歯車に接続しました。

空油変換することでスティックスリップは発生しなくなります。(註:実践自動化機構図解集 P94 参照)

 

実験は、図のロードセルホルダの長さを数種類用意してクランクアームの角度 \(θ\) を 90° から 178° まで、5 段階で行いました。

結果は図 2-16B のようにクランクアームが 90° の時の \(4.54kgf\) に対して 178° では \(43.2kgf\) と10 倍近い力が出ています。

そしてそのグラフの延長を考えると、180° では無限大になるらしいことがわかります。

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図 2-16A クランク機構の力特性(A)
出典:熊谷卓・実践自動化機構図解集 P192

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図 2-16B クランク機構の力特性(B)
出典:熊谷卓・実践自動化機構図解集 P193

【メカニズムの出力実験②】 

もう一つ、よく使われる機構の例としてトグル機構を挙げます。

 

図 2-17A は、「トグル機構」と呼ばれるメカニズムの力特性を測定した実験です。

この場合は構造がシンプルで、あまり慣性によるスティックスリップなどの問題がないので、クレビス型の空気圧シリンダで直接低速駆動し、クランクの時と同様、ロードセルホルダの長さを換えてデータを取ってみました。

結果は図 2-17B に示すように、トグルの角度 174° ですでに測定器の最大目盛を超えてしまいましたが、グラフとしては 180° で無限大になりそうに見えます。

 

出力無限大とは?

 

上記のように、グラフ上ではどうやら最終出力は無限大になりそうに見えます。

しかしどう考えてもこの程度のメカニズムで無限大などという大きな力が出せるはずが無い、と思うのは当然です。

 

では、出力無限大になったらどうなるのでしょうか?

図 2-17B のトグルで考えてみましょう。

実験では、トグルの 2 本のリンクアームのなす{くの字}の角度 \(θ\) を 90° から始めて、次第に 180° に近づけています。

今、角度 131° のところでは、実験データは出力 \(10.77kgf\) となっています。この状態なら出力側から逆向きに、\(20kgf\) の力で押せば押し戻すことができます。

角度 158° のところでも、\(23.25kgf\) なので、\(30kgf\) の力で押し戻せます。

しかし、角度 180° となって、出力無限大となったら、いくら大きな力をもってしても押し戻せません。

無理やり押し戻そうとすれば、しまいには装置が壊れてしまいます。

つまり、「出力無限大」ということは、このメカニズムは「強度限界まで頑張ってしまう」ということなのです。

 

これはあらゆるメカニズムに共通です。

「メカニズムを使って出力速度をゼロにしたら、理論上、力は無限大出せる」ということです。

 

これは、「メカニズムを使って」というところがポイントで、ほかの方法で出力速度をゼロにしても絶対に力が無限大にはなりません。

 

例えばアクチュエータでは、「モータで速度をゼロに落としたら??」と考えて見ます。

モータの速度を落とすのは、制御系からモータに供給するエネルギ量を減らすことであって、いくら速度を落としても、その分、力が増えることはあり得ません。

もしモータに「無限大アンペアの電流」を流せれば無限大出力は得られるはずですが、100 万アンペア流しても 1000 万アンペア流しても無限大ではありません。

もし空気圧シリンダに無限大メガパスカルの空気圧を供給できれば、あるいは空気圧シリンダの断面積を無限大に広げれば出力無限大になるはずですが、どう考えても不可能です。空気圧シリンダの断面積を 100 エーカにしても無限大ではありません。

まして制御システムをいくら工夫しても、センサにどんな特殊なものを使っても出力の力を無限大にすることはできるはずがありません。

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図 2-17A トグル機構の力特性(A)
出典:熊谷卓・実践自動化機構図解集 P194

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図 2-17B トグル機構の力特性(B)
出典:熊谷卓・実践自動化機構図解集 P195

次回は、メカニズムによる力特性の活用法について説明しす。

【出典書籍】

  1. 熊谷 卓「実践 自動化機構図解集」(日刊工業新聞社 1990年4月20日)
本コラムに関するご意見、お問い合わせ:t-kikaku@shinkawa.co.jp

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