インテリジェント電動アクチュエータで職場エルゴノミクスを向上

電動リニアアクチュエータは長年、反復的、汚れやすい、危険な作業を自動化することでエルゴノミクス的メリットを提供してきました。最近、オンボードインテリジェンスを電動アクチュエータに統合することで、そのエルゴノミクス貢献が新たなレベルに到達しました。デジタルモーター制御、位置フィードバック、同期、リアルタイム監視などのスマート機能により、職場の快適性、安全性、効率を改善する自動化適用がさらに容易になりました。

デジタルモーター制御

従来アクチュエータは、大型で電力効率の悪いリレーや独立コントローラに依存して伸縮・停止を行ってきました。オンボードエレクトロニクスで電力管理を行うことで、スイッチ/接点の電流を20Aから22mA未満に削減し、よりシンプルで低コストなシステム設計を可能にします。オペレーターはシンプルなコントロールでアクチュエータの駆動と方向変更が可能です。

100ポンド（約45kg）以上の部品を扱い、頻繁なリーチングと屈伸が必要な作業現場を想像してください。作業台が低電流スイッチング搭載アクチュエータで制御されていれば、各作業者が屈伸を最小限に抑える高さに調整でき、疲労軽減と生産性向上の両立が可能です（図1）。

従来アクチュエータアセンブリでも同様の調整は可能ですが、外部モータースイッチングが必要で、より多くの電力を消費し、手動操作が必要でした。電子的に回路フローを制御することで、全てのスイッチングがアクチュエータハウジング内に組み込まれ、外部配線のないスマートでクリーンな環境を実現します。

モータースイッチング自動化には安全メリットもあります。アクチュエータは負荷により20-40アンペアを消費します。設置・運転時のこの電流への曝露を最小化することで、より高いエルゴノミクス制御を実現し、高電流リレーからの感電リスクを低減します。

デジタル位置フィードバック

スマート電動アクチュエータ（図2）は微細な位置調整を可能にするだけでなく、それら調整の程度についてリアルタイムフィードバックを提供します。ストローク全体を通じて負荷位置を報告できます。図1の作業台例では、負荷位置データを取得し、プリセットパラメータと比較して一貫した動作を保証できます。

デジタル位置フィードバックと共に、速度測定・制御能力も得られます。重い扉（特定機械を遮蔽する、または仕切りを形成する）の開閉を自動化するケースを想定してください。マイクロコントローラがエンコーダからパルスカウントを受信し、設定時間内のパルス数から移動距離と速度を計算します。重い扉の例（図3）では、ストローク終端付近で減速させ、オペレーターが開口部を通過する前に扉が閉まるのを防止できます。

アナログ位置フィードバック

デジタル位置フィードバックはアクチュエータ速度測定の最も簡単な方法の一つですが、電源喪失やシャットダウン後に報告位置を記憶しないためプログラミングが容易ではありません。アナログポテンショメータ搭載スマートアクチュエータでは、アクチュエータギアボックス内のポテンショメータから正確な位置情報を電圧信号として受信し、ストローク始点から終点までの駆動速度と方向を把握できます。位置を記憶するため、電源喪失後もホーム位置に戻ってリセットする必要がありません。

信頼性の高い位置記憶により、各ユーザーのエルゴノミクス設定を保存し、身長、保存手順、ユーザー好みなどに基づいてワークスペースを複数人に合わせて調整するアプリケーション開発が可能になります。

同期制御

スマート電動アクチュエータのエルゴノミクスメリットは、複数アクチュエータ使用時にさらに顕著になります。アクチュエータを、変化する負荷に自動調整するよう設定できます。例えば、5-10人の作業者が胴体を最終組立する航空機組立アプリケーションでは、地面から高く持ち上げられたプラットフォームで作業を支援する場合があります。

作業者がプラットフォーム上を移動すると、重量がプラットフォームの異なる部分に移動し、アンバランスの原因となります。プラットフォーム下の複数箇所（四隅など）に配置されたスマートアクチュエータを、同期アクチュエータ動作中の負荷シフトに合わせて自己調整するよう設定できます（図4）。

このようなシフト負荷を打ち消す調整は、速度制御と位置フィードバックの両方で行われます。アクチュエータ同士が内部ネットワークで通信し、互いの速度を位置フィードバックから読み取り、それに応じて調整します。

デジタルフィードバックのみではステッカーステップ（カクカクした動き）が生じますが、位置と速度の両方をフィードバックループに組み込み、駆動速度と位置に基づいて調整することで回避できます。これにより、プラットフォーム、シート、重い扉など、不均一な形状の負荷を複数点からスムーズに持ち上げ、補正するエルゴノミクスメリットが得られます。

従来アクチュエータの複数制御も可能ですが、不正確で時間がかかり、労働集約的で、アクチュエータに追加負荷がかかり、最終的にバインドやその他の故障を招きます。スマートアクチュエータ同期は推測を排除し、バランスの取れたスムーズで正確な位置決め動作を実現します。

リアルタイム監視

スマート電動アクチュエータは、温度、電流、速度、電圧などの変数について継続的な監視結果を返し、高度な状態監視、診断、エラーハンドリングを可能にします。フィードバックは秒間最大10回の頻度で、アクチュエータが継続的に自己診断を行います。問題を検知（例：温度閾値超過）すると、アクチュエータはストローク中に停止するか、プログラム動作（完全収納または完全伸長）を完了して停止し、エラーフラグをコンピュータに送信します。これら全てが秒のわずかな時間で実行されます。

このようなフィードバックにより、ユーザーは運用から一歩引いて、使用パターン、速度、位置のデータを分析し、運用をよりフレンドリー、安全、効率的に改善できます。これは複数デバイスを統合した工場オートメーション現場で特に価値があります（図5）。収集データから、ワークステーションの昇降回数や扉の開閉回数がわかり、運用履歴や業界ベストプラクティスと比較してセル設計を改善できます。

運用データを傷害報告とクロス集計することで、よりエルゴノミクス的な分析の必要性を指摘できます。例えば、クリンプダイを位置決めするアクチュエータが常に過負荷を報告している場合、人々が怪我をする発生率を示唆し、どのセルで、何時に、どのシフトで影響があるかを特定できます。

多様化して生き残る

スマート電動アクチュエータに内蔵された多くの機能により、ユーザーは設計簡素化の観点からアプリケーションにアプローチできます。デジタル制御、デジタル/アナログフィードバック、マルチアクチュエータ同期、リアルタイム監視メトリクス提供というツールをワンパッケージで備え、単なる前後動作の基本機能を超えたオートメーションソリューションを提供できます。

スマート電動アクチュエータは、油圧や空気圧シリンダなど他のオートメーション技術のような複雑さなしに、複数軸の自動化プロセスにプラグアンドプレイで動きを提供します。事前にアプリケーションニーズを見極めれば、スマートアクチュエータの動作制御、位置記憶、アプリケーションメトリクス提供能力が、他の技術群の中で差別化要因となり得ます。

機械メーカーとエンドユーザーが未来を見据える中、彼らのオートメーションソリューションは基本機能を超え、より簡単なソリューション、より長い設備寿命、長期的な安全性を提供し続けるでしょう。

この制御能力が機器にどれだけ内在しているかで、ユーザーと彼らが期待する究極のメリットの間の障壁が少なくなります。その成果は、作業者満足度、安全性、健康、生産性に表れ、バリューストリームの全ての関係者に利益をもたらします。

本記事はモーションインダストリーズ（バーミングハム、AL）オートメーション製品セールスマネージャー、クリス・ディアック氏と、トムソンインダストリーズ（ラドフォード、VA）リニアアクチュエータ製品ラインスペシャリスト、トラビス・ギルマー氏によって執筆されました。