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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(8)
掲載日:2015年11月10日

2 巧妙性実現の手段群(8)

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

メカニズムによる力特性の活用法

【均等変換機構による増力】 

もう一度 式 2-21 を見てください。

 

\(F2=\displaystyle\frac{V1}{V2} \times F1\) ・・・・(2-21)

 

入力 \(F1\) に対する出力 \(F2\) の比率は、速度の比率に反比例しています。

つまりメカニズムを使ったことで速度が遅くなれば、それだけ力が強くなり、出力速度が速くなれば、それだけ力は減るのです。

 

技術実習教材「メカトロモジュール」の平歯車モジュールで図 2-18(B)のようにモータの出力に 1/3 の減速歯車を接続すると出力速度は 1/3 になりますが、モータの出力トルクが 3 倍に増力されます。

図 2-18(C)のようにこれを 2 段階にすると 1/9 減速で 9 倍の増力になることは当然です。

また、図 2-18(D)のように「メカトロモジュール」のウォームギヤモジュールを使って 1/50 に減速すれば、もちろん摩擦でやや効率は落ちますがほぼ 50 倍のトルクに増力できます。

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図 2-18(A) 歯車系を使った減速・増力機構

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図 2-18(B)歯車系を使った減速・増力機構
(1/3 減速・3 倍増力機構)

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図 2-18(C)歯車系を使った減速・増力機構
(1/9 減速・9 倍増力機構)

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図 2-18(D)歯車系を使った減速・増力機構
(1/50 減速・50 倍増力機構)

例えば工場などで重いものを吊り上げるのに使うチェーンブロックという機構があります。

これは歯車を使って大きく減速することで重いものを軽々と持ち上げます。

先端のフックで吊ってある重量物を \(500kgf\) とすると、歯車で 100 分の 1 に減速してあれば、駆動側の歯車を回すチェーンは \(5kgf\) ぐらいの力で引いて軽く動きます。その代わり速度は 100 分の 1 なので重量物を \(1m\) 吊り上げようとすれば、駆動用のチェーンを \(100m\) 走らせることになります。

そこでガラガラと音を立てながらどんどん引っ張らなければなりません。

 

歯車でなく、ねじを使った増力機構「スクリュープレス」もあります。

図 2-19 で、ハンドルの直径 \(600mm\) とすると、外周は約 \(2m\) となり、ネジのリードを \(10mm\) と仮定して減速比は 1/200 となります。

単純に計算すれば、外周を円周方向に \(3kgf\) 程度の力で回転駆動しても、プレスの圧力は \(600kgf\) となるわけです。

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図 2-19 ねじを使った減速・増力機構「スクリュープレス」の原理図

以上は単純な歯車やネジを使った増力機構ですが、これらは「均等変換機構」なので、いくら大きな減速比を作っても、トグルやクランクのように無限大にすることはできません。

【不均等変換機構による増力】

 

前述のトグル機構についてもう一度考えることにします。

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

図 2-17B で、リンクのなす角度が 180° に近づくと出力は無限大に近づくことはわかります。

しかし、出力は無限大になっても、速度がゼロですからそこは「動かない」場所なのです。

強力な駆動出力が欲しいのに、動かなければ使えないことになります。

ではどう使えば良いでしょうか?

 

図 2-17C に示すように、くの字の角度が 170° を超えて 180° に到るまでのごくわずかな範囲で増力効果は 10 倍を超えるので、大きい駆動出力を必要とするときには、この部分を使うことになります。

(なお、理論上はもっと増力効果が大きいのですが、ここでは実験結果に従うものとします。)

「トグルプレス」はこのような増力効果を利用しているものです。

写真 2-4 トグルによるカッター駆動用増力システムの例

 

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写真 2-4 は、特殊な袋の口を閉めた丈夫な紐を切断するカッター機構の一部です。

シリンダで駆動される{くの字型}のトグルの一部が見えます。

 

クランクの場合も当然、図 2-16B での、180° に近い最終端の部分の増力効果を有効に使う「クランクプレス」ができています。

 

実験結果からみて、かなりの増力効果があることはわかりますが、問題はその出力の大きい範囲の動作のストローク量です。

クランクの場合も実験結果に従えば、増力効果を 10 倍以上とすると、クランクアームの角度が 178° から 180° までのわずかな範囲しか使えません。

 

クランクアームの半径を \(R\) とすると

 

ストローク \(S\) は

\(S=R(1-cosθ)\) ・・・・・(2-22)

 

で、\(θ\) が 178° とすると \(R=100mm\) としても \(0.745mm\) しか動きません。

(\(θ\) は 178° から 180° ではなく 2° から 0° で計算した方がわかりやすいでしょう)

 

例えば薄板を打ち抜くような工程に使うことを考えると、\(θ\) が 90° 近辺ではプレスのヘッドが速い速度で降りてきて、\(θ\) が 180° に近づく最終端できわめて遅くなるので、その増力効果を使うことになります。

 

この動作をスクリュープレスと比較してみると、スクリュープレスの場合は、ストローク全体が減速されているので、上の方からゆっくりゆっくりと降りてきて最後にプレス動作をすることになります。したがって大きいストロークが必要な場合は全体の時間が長くかかります。

これに対してクランクプレスやトグルプレスでは、力の要らない上の方では高速で降りてくるので全体の時間効率は良好です。

しかし、もしプレスされるワークの厚さがいろいろある場合などは、スクリュープレスでならどの場所でも充分な力が出ますが、クランクプレスやトグルプレスではストロークの最終端だけしか力を出せないという不便さもあります。

 

ここでも均等変換機構と不均等変換機構の特徴をうまく捉えて応用しなければなりません。

「動かないところ」は使えないか?

 

上述のように「メカニズムを使って出力速度をゼロにすれば出力の力は無限大」となりますが、無限大のところは「動かない」ので使えない、と述べました。本当に使い道は無いのでしょうか?

実は、この部分もいろいろな場面で使い道があるのです。

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図 2-20 ワークをカシメる力をロータリテーブルが直接受けるので無理がかかる

図 2-20 に示すのは、ロータリインデックステーブルに取り付けたワークホルダに入ったワークをカシメる工程の例です。通常のようなワークの下面を受けるワークホルダでは、カシメの力をロータリテーブルが直接受けることになるので、テーブルに無理な力がかかります。

そこで、ワークホルダを工夫してワーク下面をトグルで受けるようにしたのが、図 2-21 です。

リンクアーム C・D がトグル機構を構成していて、ポンチの下降途中で自動的にトグルを突っ張るようになっています。

トグルが突っ張ると、出力は無限大出ているので、ポンチがいくら強くカシメても、受ける方はカシメ受けアームの強度限界まで頑張ります。当然、ロータリテーブル自身には力がかからないので、ロータリテーブルの駆動精度や耐久性には影響ありません。

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カシメパンチが上昇した状態

カシメ動作中
トグルで支えたカシメ受けアームが力を受ける

 

図 2-21 リンクアーム C・D がトグルを構成し、カシメ受け台を強力に支える。
ロータリテーブルに力はかからない。

同様に、電車のドアの開閉にもトグル機構の力特性が使われている例が多く、駆け込み乗車は可能ですが、走行中の電車が急ブレーキを掛けても惰性でドアが開くことは無いようにしてあります。

ビデオをご覧ください。

 

電車のドアの開閉に使われるトグル機構 (約4分10秒)

(現実には走行中でもトグル機構を 180° に突っ張った状態にはせず、すこし角度をつけた状態にすることで、駆動シリンダの空圧を落とせば手で開けられるようにはしてあります。力自慢の力士なら走行中にドアを手で開けられるかも知れません。)

ビデオでお分かりと思いますが、ドアの閉まり始めの状態では図 2-17C トグル機構の力特性(C)の 90° から 120° 程度までの間の増力は駆動力の 2 倍程度以下なので、逆にドアを手で開けることはできます。

しかし、一旦 170° 近くまでトグルが伸びるとドアの閉まる力は駆動力の 5 倍以上となり、人間よりドアが閉まる力のほうが強くなって、あけようとした手が挟まってしまうことになります。

学生たちなどには、

「駆け込み乗車は危険だからやってはいけない、が、どうしてもやらなければならないときは、ぜひトグル機構の力特性を思い出しなさい。ドアが半分以上閉まったら絶対しないように!」

と講義で言うことがあります。

次回は、MACS の要素群について説明します。

【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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株式会社新興技術研究所 熊谷 卓 による「生産性向上とメカトロニクス技術講座」は、クリエイティブ・コモンズ

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