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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(18)
掲載日:2016年09月06日

2 巧妙性実現の手段群(18)

2-4 巧妙性が面白い第 2 世代・メカニカルカムのシステム

メカニカルカムの使用目的別分類と機能(その1)

前回はベテラン作業者の巧妙性作業を模倣する、いわば「巧妙性模倣型カム」について述べましたが、カムは「巧妙性模倣」だけに使われるものとは限らず、昔からいろいろな目的に使われてきました。

分類してみると例えば:

( 1 )巧妙性模倣型カム

( 2 )Point to Point 型カム

( 3 )数式実現型カム

( 4 )動作拡大・縮小型など、その他のカム

のようになります。

本誌の構成上、巧妙性実現のための手法を述べてきたので、( 1 )巧妙性模倣型カム を先に述べましたが、現在、一般に「自動化のためのカム」と言えば( 2 )のPoint to Point 型カムを指す場合が多いのです。

ここではこの Point to Point 型カムについて概要を述べることにします。

Point to Point 型カム

第 2 章で述べた末端減速型の速度特性は、実はポイント・ツウ・ポイント型のカムについてのことです。

ちょっと思い出してみることにしましょう。

例えば対象物を基準点A点から目的点 B 点へ移動する場合、単純な空気圧シリンダで駆動(図 2-52A)したとすると図 2-52B のように矩形波の速度特性となり、始端と終端での加速度は理論的には無限大に近くなります。

これを改善して速度特性を末端減速特性にすることを考えます。

巧妙性実現の手段群(4)に述べたとおり、最も簡便にはクランク機構を使って動作特性を疑似サインカーブにすることもできます。疑似サインカーブでなく正しいサインカーブにする場合には、スコッチヨークというメカニズムもあります。

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図 2-52A 空気圧シリンダによる直進テーブルに乗せたワークの移動

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図 2-52B 矩形波速度特性では始端・終端の加速度は無限大に近い

スコッチヨークは図 2-53A のとおり直線溝の中をピンホイールのピンがスライドするだけの単純な機構ですが、クランク機構のコネクティングロッドの傾斜角による誤差がないので動作特性は正確なサインカーブとなります。

(図 2-53B 参照:接線を引いた場合、上死点側と下死点側との交点位置{A}と{B}が同じ)

クランクによる駆動実験では、往復 0.8 秒ぐらいまで水がこぼれずに駆動できることをビデオで確認しました。

しかし図 2-53C のように、いずれも上死点、下死点で突然大きい加速度が働きます。このことはクランクを使っても前進端と後退端で水がこぼれそうになることでもわかります。

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図 2-53A 正しいサインカーブの動作特性を実現するスコッチヨーク機構

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図 2-53B スコッチヨークで実現した正しいサインカーブの動作特性(A=Bとなる)

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図 2-53C 正弦波速度特性の場合加速度 $\alpha$ は CosV で無限大にはならない

人の動作も基本的に末端減速特性です。

コップの水を運ぶときに限らず、ものを人に受け渡すときや目的位置に置くときにも必ずスタート時と最終端での停止時には速度を落とすのが当然で、いつも「末端減速特性」を使っているのです。

矩形波特性でドシャンとものを置くのは怒ったときぐらいでしょう。

エレベータで背筋が寒く・・・

昔、「日本橋三越にエレベータが出来た」ということで、有名になりました。

まだ動作特性が不完全で、スタート時と停止時に突然やや大きい加速度がかかりましたが、それが面白くて小学生たちが喜んで乗りに行きました。昇りのスタートでは足元から突き上げられるような感じがありこれも面白かったのですが、特に下りの行程のスタートで、子供たちが身構えていると、突然の下向き加速度で足元の「床が抜けたような」感じになり、背筋がスーッと寒くなるようでした。

その感じが面白くて、友達を誘って行ってはエレベータガールと呼ばれたお姉さんに怒られたりしたということです。

もっとスタート時・停止時の特性を滑らかにしたいとの意図でサインカーブを始端・終端で少し加速度を減らした「変形正弦曲線」が開発されました。(山梨大学工学部の牧野洋 助教授〔当時〕の開発による)。

始端と終端の部分を全体の移動時間の 8 分の 1 だけ別のサインカーブを用いてうまく接続できるようにした独特の特性曲線です。(図2-54参照)

このほかに変形台形曲線や変形等速度曲線その他多くの特徴的な特性曲線が開発されました。その後、設計から機械加工まで一連の CAD/CAM システムが開発され、それぞれの動作特性曲線を実現するカムを自由に製作できるようになりましたが、現状では変形正弦曲線が一番多く使われているようです。

 

このような独特な動作特性を実現するためには、「自動化機構 300 選」のインデックスのページの「任意特性」の列に出ている通り、カムが最有力のメカニズムです。

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図 2-54 さらに末端部の動作特性を滑らかにした「変形正弦曲線」

この場合のカムの目的は、Tool または Work をあるポイントから次のポイントまで移動するだけで、その移動をなるべく滑らかにすることにあります。したがって移動の速度特性を気にしなければいわばどんな動作曲線を使っても A 点から「最終的に B 点に到達すればいい」ということになります。

次に C 点まで、さらに D 点まで移動し最後に A 点まで戻るのも全く同じで、加速度特性がある程度以下であれば途中経過は少々違ってもあまり問題にならない、と考えていいのです。

つまり、これら A 点、B 点、C 点、D 点などが目的点であり、これらの目的点の間を移動する特性造りをカムが担当しているのです。これを称して「ポイント・ツウ・ポイントのカム」と言っていいでしょう。

 

ここで「ポイント」というのは、カムに直すと「ドゥエル(Dwell )」に相当します。つまりこの型のカムは「ドゥエル(Dwell)からドゥエル(Dwell)までを適切な速度特性で駆動するカム」なのです。

その意味ではドゥエルの位置が正しければ動作特性曲線は多少違っていても一応目的は達成できると考えてもいいかもしれません。

 

図 2-55A はメカトロニクス技術認定試験で与えられるポイント・ツウ・ポイント カムの一例です。

(円形のレーダーチャートに乗せるとリフト、ドエル、割付け角などが分かりやすくなります)。

 

※ :「Dwell」を日本のカム工業会では「ドエル」と称することになっています。

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図 2-55A ポイント・ツウ・ポイント カム の一例

このカムではドエル 1、2、3 とありドエル区間はすべて 20° 、カムフォロワーを駆動するリフトの割付け角は 120° 、80° 、100° 、最大リフト量 60mm となっています。

 

このカムを使って M-310 直進テーブルを駆動するシステムが図 2-55B です。

 

図ではカムフォロワーを取り付けた従動レバーによって、カムのリフト量が約 2 倍に拡大されています。

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図 2-55B 直進テーブルが最終出力端の場合の一例

このカムの場合はドエル 1、2、3 とあり、この間を特定の動作特性曲線で接続してあるものですが、通常タイミングチャートには図 2-55C のようにドエルからドエルまでを直線で結んで表示します。

そしてこの斜めの直線部分を別途「****曲線」のように指定するだけです。

その理由は、現在、メカニカルカムのメーカには、しっかりとした CAD/CAM のシステムが用意されていて、ユーザがこのようなタイミングチャートで指定するだけでドエルからドエルまでを指定された特性曲線で駆動するカムを正しく製作してもらえます。

さらに機構上の入出力を考えたカムフォロワーから終端出力レバーまで、ユーザの機構構成に応じて、「最終出力端での動作特性が指定の、例えば変形正弦曲線になる」ようにカムを設計・製作してもらえるのです。

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図 2-55C ポイント・ツウ・ポイント カム のタイミングチャートの一例

写真 2-7 はシステム全体をポイント・ツウ・ポイントのカムで駆動した自動化装置で、溝カムによる回転板カム 5 枚を同一軸にセットしています。

 

これらのカムはいずれもポイント・ツウ・ポイントのカムで 2 か所のドエルを持ち同じくインデックスカム機構によるロータリテーブルと連動しているものです。

写真 2-7 カム駆動による自動化装置の一例

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次回はこのカム駆動自動化システムのビデオを見ながら、カム駆動システムの利害得失とメカトロ化制御手法、およびカム曲線の正規化について解説する予定です。

 

「生産性向上とメカトロニクス技術講座」バックナンバー

  1. 本講座の目次
  2. 生産設備の構成要素(1)工場はすべて作業ユニットの集合.....
  3. 生産設備の構成要素(2)作業ユニットは W・T・MACS から成り立つ.....
  4. 生産設備の構成要素(3)フィードバック信号をどこから取ったか.....
  5. 巧妙性実現の手段群(1)メカニズムの速度特性の活用と加速度/直進テーブルの往復動作実験.....
  6. 巧妙性実現の手段群(2)メカニズムの速度特性の活用と加速度/物は加速度で動かされる(その1).....
  7. 巧妙性実現の手段群(3)メカニズムの速度特性の活用と加速度/物は加速度で動かされる(その2).....
  8. 巧妙性実現の手段群(4)メカニズムの速度特性の活用と加速度/加速度特性の改善と効果
  9. 巧妙性実現の手段群(5)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/自動化システムの 80% は.....
  10. 巧妙性実現の手段群(6)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.....(その1).....
  11. 巧妙性実現の手段群(7)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.....(その2).....
  12. 巧妙性実現の手段群(8)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
  13. 巧妙性実現の手段群(9)MACS の要素群/アクチュエータの各種と分類
  14. 巧妙性実現の手段群(10)MACS の要素群/コントローラとインターフェイス
  15. 巧妙性実現の手段群(11)制御回路の構成・1 類、2 類、3 類(その1)
  16. 巧妙性実現の手段群(12)制御回路の構成・1 類、2 類、3 類(その2)
  17. 巧妙性実現の手段群(13) センサによる代替特性検出(その1)
  18. 巧妙性実現の手段群(14) センサによる代替特性検出(その2)
  19. 巧妙性実現の手段群(15) 巧妙動作のための任意速度特性はメカニカルカムが基本(その1)
  20. 巧妙性実現の手段群(16) 巧妙動作のための任意速度特性はメカニカルカムが基本(その2)
  21. 巧妙性実現の手段群(17) タイミングチャートからメカニカルカムへ
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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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