ハーモニック・ロータリーアクチュエータ：ドライバ内蔵型と外付け型 — お客様の用途に適しているのはどちらですか？

はじめに

ロボット関節、精密自動化、半導体製造装置、CNC回転軸、高精度位置決めシステムにおいて、ハーモニック・ロータリー・アクチュエータは、回転運動のための統合ソリューションとして、ますます採用されるようになっています。

サーボモーター、ハーモニック減速機、外付けドライバーを組み合わせる従来の構成と比較して、ハーモニック・ロータリー・アクチュエータは、モーター、ハーモニック伝達機構、エンコーダー、ベアリング、モータードライバーなどの機能を、よりコンパクトなモーションユニットに統合できます。これにより、機械システムと電気システムの設計を簡素化できます。

しかし、ハーモニック・ロータリー・アクチュエータを選定する際、エンジニアは別の重要な判断に直面することがよくあります。アクチュエータには、内蔵ドライバーと外付けドライバーのどちらを使用すべきでしょうか。

これは、どちらの構成がより優れた性能を発揮するかを単純に判断する問題ではありません。2つの構成は、それぞれ異なるシステムアーキテクチャ向けに設計されています。適切な選択は、設置スペース、配線、熱管理、制御アーキテクチャ、メンテナンス要件、具体的な用途などの要因によって決まります。

ハーモニック・ロータリー・アクチュエータの2つのドライブ構成

ハーモニック・ロータリー・アクチュエータは、モータードライバーの配置に基づき、一般的に内蔵ドライバー構成と外付けドライバー構成の2種類に分けられます。

内蔵ドライバー搭載ハーモニック・ロータリー・アクチュエータ

内蔵ドライバー構成では、モータードライバーをアクチュエータに直接組み込みます。

これにより、モーター、ハーモニック伝達機構、エンコーダー、ドライバーをコンパクトなユニット内に統合し、高度に統合された回転運動ソリューションを実現できます。

この構成は、設置スペース、配線、システム全体の統合が重要となる用途に特に適しています。

代表的な用途には、ヒューマノイドロボットの関節、協働ロボット、コンパクトなロボットアーム、スペースに制約のあるロボット関節、コンパクトな自動化装置などがあります。

ロボットメーカーにとっての主なメリットは、単に独立したドライバーが不要になることだけではありません。より重要なのは、高度に統合されたアクチュエータによって、関節モジュール全体の機械設計と電気設計を簡素化できることです。

外付けドライバー搭載ハーモニック・ロータリー・アクチュエータ

外付けドライバー構成では、ドライバーをアクチュエータとは別に設置します。

アクチュエータは機械的な動作システムと位置フィードバックを担い、モータードライバーは装置内の別の場所、または制御盤に配置されます。

この構成は、システムレイアウトと電気アーキテクチャにおいて、より高い柔軟性を提供します。

多軸自動化装置では、各機械アクチュエータの内部にドライブ電子機器を配置するのではなく、複数のドライバーを制御盤または電気エンクロージャ内にまとめて設置できます。

この構成は、CNCロータリーテーブル、半導体製造装置、精密位置決めシステム、多軸自動化システム、産業用ロボットに特に適しています。

ドライバーの配置がシステム設計に重要なのはなぜか

従来のモーターでは、ドライバーの配置は主に電気設計上の検討事項に見えるかもしれません。

しかし、ハーモニック・ロータリー・アクチュエータでは、ドライバーの統合が関節全体のサイズ、配線方法、熱管理、システムアーキテクチャに直接影響する可能性があります。

そのため、アクチュエータの選定は定格トルクだけを基準にすべきではありません。

エンジニアは、設置スペース、ケーブル配線、ドライバーの冷却、制御アーキテクチャ、多軸同期、メンテナンス要件、周囲温度、動作負荷、デューティサイクル、アクチュエータ寸法についても検討する必要があります。

これが、同じハーモニック・ロータリー・アクチュエータであっても、搭載される装置によって異なるドライバー構成が必要になる理由です。

内蔵ドライバーがより適しているのはどのような場合か

ロボット関節内部のスペースが限られている場合

ヒューマノイドロボット、協働ロボット、コンパクトなロボットアームでは、通常、関節内部のスペースが非常に限られています。

従来の構成では、モーターとハーモニック伝達機構だけでなく、外付けドライバーと関連する電気接続も収容する必要があります。

内蔵ドライバー搭載のハーモニック・ロータリー・アクチュエータは、関節モジュール自体により多くの機能を統合し、設置に必要な全体スペースの削減に貢献します。

これは、各関節でトルク、速度、サイズ、重量、配線の複雑さを両立させる必要があるヒューマノイドロボットにとって、特に重要です。

ロボット内部の配線が複雑な場合

ロボットには、独立して制御される関節が多数搭載されることがあります。

自由度が増加するにつれて、モーター、エンコーダー、ドライバーの接続管理はますます複雑になります。

ドライバーをアクチュエータに統合することで、各関節の電気アーキテクチャを簡素化し、ロボット構造内部に配線する必要のあるケーブル量を削減できます。

これは、ヒューマノイドロボット、協働ロボット、6軸ロボットアーム、その他の多関節システムにとって特に有効です。

関節の統合度が高い場合

ロボットメーカーが、モーター、ハーモニック減速機、ドライバー、エンコーダーを個別に統合するのではなく、比較的完成度の高いロボット関節アクチュエータモジュールを使用したい場合、内蔵ドライバー構成は有効なソリューションとなります。

統合度を高めることで、システム統合作業を削減し、ロボット関節の開発期間を短縮できる可能性があります。

外付けドライバーがより適しているのはどのような場合か

集中制御アーキテクチャを採用する場合

産業用自動化装置では、複数のサーボドライブをまとめて設置する集中制御盤がよく使用されます。

例えば、多軸機械では、複数の回転軸を同一の電気キャビネット内に配置した独立したドライブで制御する場合があります。

このようなアーキテクチャでは、外付けドライバー型のハーモニック・ロータリー・アクチュエータを既存の自動化システムに容易に統合できます。

より高度な熱管理が必要な場合

モータードライバーは、動作中に熱を発生します。

ドライバーをアクチュエータに統合する場合、モーターとドライバーの双方が発生する熱負荷を合計して考慮する必要があります。

外付けドライバーであれば、ドライブ電子機器をより大きなエンクロージャや専用の冷却環境に設置できるため、熱管理の柔軟性が高まります。

これは、連続運転、高負荷処理、頻繁な加減速、または複数軸を含む装置に有利です。

電気系統のメンテナンスに柔軟性が必要な場合

外部に取り付けられたドライバーは、機械アクチュエータから独立して点検、整備、交換できます。

大規模な産業用自動化システムでは、このモジュール構成により、メンテナンスとトラブルシューティングをより便利に行えます。

したがって、統合度が高いからといって、必ずしも内蔵ドライバーが常に優れたソリューションであるとは限りません。

産業用装置では、メンテナンス性、制御盤のレイアウト、電気システムの標準化も同様に重要です。

内蔵ドライバーと外付けドライバー：どのように選ぶべきか

選択はアクチュエータ単体ではなく、システム全体のアーキテクチャに基づいて行うべきです。

用途または設計要件　推奨構成

すべての用途に適した単一の構成はありません。

より適切な選択は、装置全体の機械構造、電気アーキテクチャ、熱条件、動作要件に基づいて決定する必要があります。

ハーモニック・ロータリー・アクチュエータの選定時に検討すべきパラメータ

出力トルクと出力速度

定格トルクは、エンジニアが最初に検討する仕様であることが多いですが、常に出力速度と併せて評価する必要があります。

ロボット関節では通常、トルクと動的応答の両立が必要である一方、高速回転軸では連続高速運転がより重視される場合があります。

したがって、アクチュエータは最大トルクだけでなく、実際の負荷プロファイルに基づいて選定する必要があります。

減速比

減速比は、出力トルク、出力速度、モーターの動作条件、動的応答に影響します。

そのため、モーターに必要な動作点と機械負荷に応じて選定する必要があります。

負荷慣性

ロボット関節や高速位置決めシステムでは、負荷慣性が加速および減速時に必要なトルクへ直接影響します。

このため、アクチュエータの選定において、負荷慣性は定格トルクと同じくらい重要な場合があります。

エンコーダー構成

高精度な位置制御では、用途の要件に応じて、エンコーダー分解能、シングルターンまたはマルチターンのフィードバック、モーター側フィードバック、出力側フィードバックを検討する必要があります。

エンコーダー構成は、必要な位置決め精度、再現性、制御アーキテクチャ、安全要件と併せて評価する必要があります。

デューティサイクルと熱条件

アクチュエータの熱負荷は、連続運転と短時間のピーク運転とで大きく異なる場合があります。

したがって、実際の選定では、デューティサイクル、連続トルク、ピークトルク、動作速度、周囲温度を総合的に考慮する必要があります。

これは、モーターとドライバーが同じ限られた設置スペースを共有する可能性があるコンパクトな統合型アクチュエータにとって、特に重要です。

用途に応じた適切なドライブ構成の選び方

ヒューマノイドロボットとコンパクトなロボット関節

ヒューマノイドロボットやコンパクトなロボット関節では、設置スペースと配線が主要な設計上の制約となることがよくあります。

内蔵ドライバー搭載のハーモニック・ロータリー・アクチュエータは、高度に統合された関節ソリューションを提供し、外部ドライブ電子機器に必要なスペースの削減に貢献します。

協働ロボットとロボットアーム

協働ロボットやコンパクトなロボットアームでは、高トルク密度、正確な位置決め、コンパクトな寸法、効率的なシステム統合の組み合わせが求められます。

アクチュエータをコンパクトな関節モジュールに直接組み込む必要がある場合、内蔵ドライバー構成は特に有力な選択肢となります。

CNCロータリーテーブル

CNCロータリーテーブルは、集中型の機械制御アーキテクチャの一部として動作することがよくあります。

この用途では、外付けドライバーにより、制御盤への統合、熱管理、電気系統のメンテナンスにおいて、より高い柔軟性を確保できます。

半導体製造装置

半導体製造装置では通常、高い位置決め精度、安定した動作、コンパクトな機械設計、管理された熱条件が求められます。

そのため、内蔵ドライバーと外付けドライバーのどちらを選ぶかは、装置で利用可能な設置スペース、制御アーキテクチャ、動作サイクル、熱要件に基づいて決定する必要があります。

多軸自動化システム

多軸機械では、アクチュエータの数が増えるにつれて、電気アーキテクチャの重要性が高まります。

複数のドライブを共通の制御システム内に集中配置し、管理する必要がある場合、外付けドライバー構成が有利です。

用途に基づく選定が重要な理由

実用的なハーモニック・ロータリー・アクチュエータの選定プロセスは、用途の要件から始める必要があります。

まず、負荷、速度、トルク、慣性、動作サイクル、設置上の制約など、機械的要件を明確にする必要があります。その後、機械の電気アーキテクチャと熱条件に応じて、適切なドライブ構成を選定します。

これらの要因を確定した後に、アクチュエータサイズ、エンコーダー構成、通信インターフェース、その他の仕様を最終決定します。

目的は、単に最高のトルク定格を持つハーモニック・ロータリー・アクチュエータを選ぶことではありません。

コンパクトなロボット関節では、内蔵ドライバーが統合性、配線、スペース利用の面でメリットを提供できます。

集中制御システムを備えた産業用自動化装置では、外付けドライバーが電気統合、冷却、メンテナンスにおいて、より高い柔軟性を提供できます。

HONPINEのハーモニック・ロータリー・アクチュエータソリューション

HONPINEは、異なる機械システムおよび電気システムの要件に対応するため、内蔵ドライバー搭載ハーモニック・ロータリー・アクチュエータと外付けドライバー搭載ハーモニック・ロータリー・アクチュエータの2つの構成を提供しています。

この2つの構成により、装置設計者は単一のドライブ構成に限定されることなく、装置全体の要件に応じてアクチュエータのアーキテクチャを選択できます。

ロボットや高度に統合されたモーションモジュールでは、内蔵ドライバー構成により、設置スペースの削減と配線の簡素化に貢献できます。

CNCシステム、半導体製造装置、多軸自動化装置、集中制御アーキテクチャを採用する機械では、外付けドライバー構成により、電気統合と熱管理における柔軟性を高めることができます。

最終的な目的は、内蔵ドライバーと外付けドライバーのどちらが普遍的に優れているかを決めることではありません。適切な選択とは、用途の機械構造、電気アーキテクチャ、熱条件、動作要件に最も適合する構成です。