高度なモーション制御システムで生産性を向上：構成要素、モーター選定、効率化のポイント

専門家は2025年までに、輸送、製造、小売の3分野で、仕事の10〜15%が自動化の高い可能性を持つと予測しています。より多くの企業が自動化プロセスと技術を採用するにつれ、工場と生産ラインにおけるモーション制御システムの需要は指数関数的に増加しています。モーション制御システムは、適切なコンポーネントを適切な場所に、適切な向きで、適切なタイミングで移動させることで、製品が正常に組み立てられることを保証します。

本ガイドでは、モーション制御システムとは何か、どう機能するか、誰が恩恵を受けるか、効果を最大化する方法を探ります。

モーション制御システムとは？

モーション制御システムは機械的運動を生成します。モーターによって駆動され、精密なトルク制御、速度、位置制御のために設計されています。オートメーション業界では、モーション制御システムが機械部品の正確で制御された動きを可能にします。

モーション制御システムは、動作の迅速な開始と停止、個別要素の調整、製品の正確な位置決めが必要な状況でよく使用されます。

ほとんどの場合、モーション制御システムはコンピューター制御を使用して望ましいアクションを生成し、力、速度、圧力、位置に影響を与えます。より高度なシステムでは、将来の運用改善のために速度や位置などの重要なプロセスデータとフィードバックを収集する専門技術を備えています。

モーション制御システムの基本構造

モーション制御システムは、モーションコントローラー、モータードライバー（アンプ）、モーターの3つの基本コンポーネントで構成されます。

モーションコントローラー

モーションコントローラーはシステム全体の「脳」です。シーケンス実行、サーボループクロージャー、モーションパス計画のすべての計算要件を処理します。エンドユーザーによって制御され、機械の機能をガイドするコマンドを実行します。モーションコントローラーは、軸数、必要分解能、更新時間、サポートされる特定の通信バスによって異なります。

モーションコントローラーは、アナログまたはデジタルの低電力モーターコマンド信号をモータードライブに供給します。

モータードライブまたはアンプ

モータードライブはモーションコントローラーから低電力信号を受け取り、モーターに電力を送ります。

モータードライブは、トルクを生み出し負荷を動かすために、モーターに適切な電圧と電流を供給する役割を担います。

ドライブにはアナログ、デジタル、ステッパー、リニア、可変周波数、サーボタイプがあります。それぞれ独自の機能と能力を持ち、特定のモーターと組み合わせて使用され、特定の用途に適したものがあります。

モーター

モーション制御システムの「筋肉」とも呼ばれ、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、目標位置まで移動するために必要なトルクを生成します。

モーション制御システムのモーターは、使用する電力の種類によってDCまたはACに分類されます。

ACモーターは、より多様性があり、制御された加速、調整可能なトルクリミット、電力線への干渉が少ないという利点があります。一方、DCモーターは高い起動トルクを持ち、設置と使用が容易です。

フィードバックデバイス

フィードバックデバイスはクローズドループとオープンループの両システムに搭載されています。位置、方向、速度の情報をモーションコントローラーにフィードバックします。コントローラーは目標出力を達成するために電流を必要に応じて調整します。

モーション制御システムは産業および製造用途で広く使用されており、以下の業界でよく見られます：

• 繊維
• 農業
• 半導体・エレクトロニクス
• 印刷・紙
• プラスチック・ゴム
• 石油・ガス
• 金属・機械製造
• 医療
• 家具・木材
• 食品・飲料
• エネルギー
• 自動車
• 航空宇宙・防衛

モーション制御システムの効率を改善する方法

1. 特定の用途に適したモーターを使用する

用途に適したモーターを使用することで、より高品質な出力と高い省エネ効果が得られます。現在モーション制御システムで最も一般的に使用されている3つのモーターは、DC（ブラシ付き・ブラシレス）、ステッパー、サーボモーターです。

ブラシ付きDCモーターは制御がシンプルで、低速でのトルクが優れ、比較的効率が良く、概して安価です。可聴ノイズと電磁ノイズを発生し、システム内で干渉を引き起こす可能性があります。また、ブラシが最終的に摩耗するため、継続的なメンテナンスが必要です。

一般的な用途：携帯電話のバイブレーター、おもちゃ、ハンディファン、コードレスドリル、車の窓。

ブラシレスDCモーターは、面同士の接触がないためブラシ付きモーターより静かです。同じ理由でより効率的でもあります。同じサイズの磁石であれば、ブラシレスDCモーターはブラシ付きDCモーターより大きな出力を発揮します。難点は制御が難しく、専用コントローラーが必要になることが多い点です。

一般的な用途：洗濯機、エアコン、コンピューターファン、ディスクドライブ、ドローン。

ステッピングモーターは精密な位置決めと速度制御に使用されます。低速でのトルクが優れ、高い保持トルクが必要な用途に最適です。低コストのマイクロコントローラーで簡単に制御できます。難点は騒音、高速域でのトルク制限、効率の低さです。常に電力を消費するため、発熱しやすい傾向があります。

一般的な用途：防犯カメラ、車のサイドミラー調整、プリンター。

サーボモーターは2000rpm以上の速度で優れたトルクを発揮します。クローズドループフィードバックにより、最高の位置決め精度を実現します。ほとんどの高度なモーション制御用途で必須です。サーボモーターの潜在的な難点はコストと、位置維持時のジッター（微小振動）です。

一般的な用途：3Dプリンティング、CNC、梱包、直交ロボットシステム。

2. 適切で効率的なスピードドライブを使用する

今日のメーカーは、競争力を維持し変化する顧客ニーズに応えるため、より高い機械性能と全体的な効率を求めています。

最新世代の可変周波数ドライブ（VFD）は、設計段階と生産段階の両方で運用効率を加速する重要な役割を果たします。VFDはモーターの速度を駆動機械の望ましい速度に合わせるのに役立ちます。また、低騒音、ソフトスタート、メンテナンス削減向けに設計されています。

3. 適切なプログラマブルロジックコントローラ（PLC）を選定する

PLCは、使いやすく正確で変更可能な制御を提供するため、さまざまな業界で人気の自動化ツールです。

PLCを選定する際は、制御の基本と将来の拡張性を含むアプリケーション要件を定義することが重要です。その他の重要な考慮事項には以下が含まれます：

• I/Oの数と種類
• 必要な制御機能
• データ収集と特殊機能の要件
• 通信オプション
• プラント担当者の自動化経験と能力

プラント担当者の中には自動化に精通した人もいれば、新しい技術にほとんど経験がない人もいます。幸い、初心者向けに特別に設計されたさまざまなPLCが市場にあります。これらはしばしば小型でシンプルですが、簡単に拡張でき、大型PLCに見られる多くの機能を備えています。

4. 適切なコンポーネントのみを使用する

モーション制御システムは、ベルト、ベアリングなどのさまざまな機械部品で構成されます。各コンポーネントがシステム全体の性能に影響します。これが、設計段階から設置まで、すべての部品を継続的にレビュー・テストしなければならない理由です。

5. 定期的なメンテナンスをスケジュールする

すべてのコンポーネントは正常な摩耗を経験し、システム効率の低下を招く可能性があります。計画的な予防メンテナンスは、故障によるコストのかかるダウンタイムを排除します。また、モーション制御システムの寿命を延ばし、大規模な修理や機械の早期交換を防ぎます。

お客様のニーズに合わせた強力なオートメーション技術

パワー、生産性、動きの精度が極めて重要な生産ラインでは、適切なモーション制御システムを持つことが成功と失敗を分けます。

John Henry Fosterは、お客様の特定の用途にカスタマイズ可能なモーション制御システムの導入をお手伝いします。1938年以来、ロボティクス、オートメーション、産業システムを各クライアントの独自のニーズに合わせて提供してきました。お見積りについては当社チームまでご連絡ください。