高精度産業オートメーション向け中空ロータリーテーブルとハーモニックロータリーアクチュエータの選び方

回転運動は、3C電子機器の組み立てや半導体検査から、CNC加工、リチウムイオン電池の製造、精密試験装置に至るまで、現代の産業オートメーションにおいて幅広く利用されています。機械の高速化と高精度化が進むにつれ、回転伝動および位置決め部品の選択はますます重要になっています。

中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータはどちらも高精度な回転動作を実現できますが、それぞれ異なる機械的要件に基づいて設計されています。中空回転テーブルは一般的に剛性の高い回転プラットフォームを中心に構築されており、インデックス付け、位置決め、および比較的大きな荷重の搬送に適しています。一方、ハーモニック回転アクチュエータは、モーターと高精度なハーモニック伝達システムを統合しており、コンパクトなサーボ制御回転軸に適しています。

したがって、最適な選択はトルクや位置決め精度だけではなく、より多くの要素に依存します。エンジニアは、ソリューションを選択する前に、負荷慣性、加速度、ラジアル荷重とアキシャル荷重、位置決め精度、バックラッシュ、中空径、設置スペース、システム統合などを考慮する必要があります。

本稿では、高精度産業オートメーションの観点から中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータを比較し、それぞれの用途に最適なソリューションを解説する。

中空回転テーブルとは何ですか？

中空回転テーブルは、ワークピース、治具、または機械プラットフォームを回転させて正確に位置決めするために設計された、精密な回転位置決め機構です。その最も特徴的な点は、中央の貫通穴です。この穴を通して、ケーブル、空気圧チューブ、真空ライン、シャフト、またはその他の部品を回転機構内に通すことができます。

この構造は、配線やユーティリティが回転プラットフォームの中央を通過する必要がある自動化機器において特に有用である。

代表的な用途としては以下のようなものがあります。

• 3C電子機器組立装置

• リチウム電池製造装置

• 半導体検査システム

• 精密組立機

• CNC回転位置決めシステム

• 自動インデックスステーション

• 画像検査装置

• 医療機器および検査機器

複数ステーションの自動化においては、中空回転テーブルを用いることで、回転プラットフォームの周囲に複数の治具を設置できるだけでなく、配管などのユーティリティを中央部を通して配線することも可能となる。

ハーモニックロータリーアクチュエータとは何ですか？

ハーモニックロータリーアクチュエータは、モーターと高精度ハーモニック伝達機構を組み合わせた一体型ロータリー駆動装置です。機種によっては、エンコーダ、ブレーキ、ドライバー、その他のフィードバックコンポーネントを内蔵している場合もあります。

ハーモニックトランスミッションは、コンパクトな機械パッケージ内で、高い減速比、低いバックラッシュ、および高い位置決め精度を実現します。

従来の回転テーブルは主に荷重を支える位置決めプラットフォームとして設計されているのに対し、ハーモニックロータリーアクチュエータは完全な精密回転駆動装置として設計されている。

これにより、以下のような産業用途に適しています。

• 精密回転軸

• 半導体製造装置

• 3Cオートメーション

• 光学検査システム

• 精密ディスペンシングマシン

• 自動組立装置

• CNC補助回転機構

• 高精度測位システム

重要な違いは、両製品は精密な回転運動が可能であるにもかかわらず、解決する機械的な問題が異なる点にある。

中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータ：主な違い

根本的な違いは、設計における優先順位にある。

中空回転テーブルは、プラットフォームの剛性、荷重支持、インデックス機能、および中央ケーブル配線を重視しています。調和回転アクチュエータは、高精度な伝達、低バックラッシュ、サーボ制御、および統合された回転駆動性能を重視しています。

この比較は、どちらの製品の性能が優れているかを単純に問うことがなぜ意味をなさないのかを示している。より適切な問いは、どちらのアーキテクチャが機械の機械的要件に合致するかである。

耐荷重と回転慣性

産業用回転機器において、耐荷重能力は最初に評価すべきパラメータの一つです。しかし、総負荷質量だけでは十分ではありません。負荷の分布も必要なトルクに影響を与えます。

回転システムの場合、全回転慣性モーメントは次のように推定できます。

Jtotal = Jtable + Jworkpiece + Jfixture

固体円形回転プラットフォームの場合、プラットフォームの慣性モーメントは次のように近似できます。

J = 1/2 × m × r²

ここで、mは質量、rは回転半径である。

負荷が回転中心から遠ければ遠いほど、慣性への影響は大きくなる。

これは、3C組立機、バッテリーインデックスシステム、および多ステーション検査装置において特に重要です。外周付近に複数の治具を搭載した回転プラットフォームは、中心付近に取り付けられた小型ワークピースよりもはるかに大きな慣性モーメントを持つ可能性があります。

回転台自体が相当な荷重を支える必要がある場合、中空回転テーブルはしばしば有利となる。荷重がコンパクトな回転軸の一部であり、大きなプラットフォームを支えることよりも高いトルク密度が重要な場合は、調和回転アクチュエータの方が好ましい場合がある。

加速トルクと運動サイクル

慣性モーメントを計算した後、次のステップは加速トルクを求めることです。

基本的な関係は次のとおりです。

Tacc = J × α

どこ：

• Taccは加速トルクです

• Jは全回転慣性モーメントです

• αは角加速度です

実際のトルク要件には、摩擦、外部荷重、不均衡荷重、および適切な安全率も考慮する必要があります。

インデックスマシンにとって、動作プロファイルは特に重要です。2秒ごとに45度回転するマシンは、一定速度で連続回転する回転軸とは全く異なる要件を必要とします。

例えば、バッテリーの選別や検査を行うテーブルは、素早く加速し、正確な位置に移動し、定位置に戻り、処理を実行し、そしてこれを繰り返す必要がある場合があります。このような状況では、最大出力トルクだけを見るよりも、加速、減速、定位置到達時間、そして再現性の方が重要になります。

サーボ駆動の精密軸の場合、ハーモニックロータリーアクチュエータは、バックラッシュが少なく、高精度なフィードバックを備えたコンパクトな伝達ソリューションを提供できます。

位置決め精度と再現性

位置決め精度は、精密自動化において最も重要な仕様の一つであることが多いが、単独で評価すべきではない。

以下の3つのパラメータは個別に検討する必要があります。

• 位置決め精度

• 再現性

• 反発

位置決め精度とは、実際の位置が指令された位置にどれだけ近いかを示すものです。再現性とは、機構がどれだけ一貫して同じ位置に戻るかを示すものです。バックラッシュとは、伝達システム内の機械的な角度方向の遊びを表します。

機械には、極めて高い絶対位置決め精度は必要としないものの、優れた再現性が求められる場合がある。

例えば、3C組立機では部品を同じ角度位置に繰り返し配置する必要がある一方、半導体検査システムでは高い再現性と極めて小さな角度誤差の両方が求められる場合がある。

調和伝動システムは、バックラッシュが少ないため、サーボ制御による回転運動の精度と一貫性を向上させることができ、精密用途において特に魅力的です。

中空回転テーブルも高い位置決め精度を実現できるが、最終的な性能は、その伝達機構、ベアリング、エンコーダ、製造公差、および制御システムに依存する。

中空径と内部ケーブル配線

中空回転テーブルを選ぶ最大の理由の一つは、中央の開口部が大きいことです。

産業機器では、回転機構の中心を通して複数のユーティリティを配線する必要がある場合がよくあります。これには以下が含まれます。

• サーボケーブル

• エンコーダーケーブル

• 空気圧チューブ

• 真空ライン

• 冷却ライン

• 光ケーブル

• 機械軸

大きな貫通穴を設けることで、機械のレイアウトを簡素化し、回転軸の外側にケーブルを配線する必要性を減らすことができる。

しかし、中空の直径が最大であることが必ずしも最良の選択とは限らない。

中央の開口部は、以下の要素とバランスが取れていなければならない。

• 構造剛性

• ベアリングサイズ

• 耐荷重

• 全体寸法

• 必要なトルク

• 設置スペース

このため、必要なケーブル束とチューブは、回転テーブルが選定された後ではなく、機械設計段階で決定しておくべきである。

半径方向荷重、軸方向荷重、および転倒モーメント

産業用回転プラットフォームは、純粋な回転トルク以外にも様々な負荷を受けることが多い。

加工対象物は回転中心から離れた位置に取り付けられる場合があり、その結果、半径方向の力と転倒モーメントが発生します。これらの負荷は、検査装置、塗布システム、組立機械、CNC回転位置決めシステムなどにおいて、無視できない大きさになる可能性があります。

例えば、回転テーブルの外縁付近に重い治具を取り付ける場合、ベアリングシステムは必要な位置決め精度を維持しながら、発生するモーメントに耐えなければならない。

中空回転テーブルは、その機械構造が回転プラットフォームを支えるように設計されているため、この分野では特に有用である。

調和回転アクチュエータの場合、エンジニアは、製造元の仕様に従って、アクチュエータの出力支持能力、許容ラジアル荷重およびアキシャル荷重、許容転倒モーメントを評価する必要があります。

トルク容量だけを、完全な負荷解析の代わりとして使用すべきではありません。

システム統合

もう一つの大きな違いは、2つのソリューションが機械にどのように統合されるかという点です。

従来の回転テーブルは、次のような構成を採用している場合があります。

サーボモーター → 減速機 → 回転テーブル → 負荷

そのため、モーター、駆動装置、エンコーダー、コントローラーは個別に選定・設置する必要がある場合がある。

調和回転アクチュエータは、複数のコンポーネントを単一のアセンブリに統合することができます。

モーター + 高調波減速機 + エンコーダー + ハウジング + オプションのブレーキ/ドライバー

これにより、機械的なインターフェースの数を減らし、精密回転軸の設計を簡素化できる。

産業機器メーカーにとって、統合化は組み立て作業の削減にもつながり、回転機構全体の小型化にも貢献する。

しかし、一体型アクチュエータが必ずしも最良の解決策とは限りません。機械に大きな回転プラットフォーム、複数の治具、大きな中央開口部、そして大きな転倒荷重容量が必要な場合は、専用の中空回転テーブルの方がより適切な構造となる可能性があります。

3Cオートメーションにおける中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータの比較

3C製造装置には、高速なインデックス動作、正確な位置決め、コンパクトな機械レイアウト、そして信頼性の高いケーブル配線が求められることが多い。

中空回転テーブルは、回転プラットフォームの周囲に複数のワークピースや治具が取り付けられる多ステーション組立装置に特に適しています。

例えば、自動組立テーブルには8つのステーションがある。各ステーションは異なる工程を実行でき、その間にプラットフォームは次の位置へ移動する。

中央の中空構造は、空気圧および電気接続の配線を簡素化することもできる。

機械が連続サーボ制御と非常に低いバックラッシュを備えたコンパクトで高精度な回転軸を必要とする場合、調和回転アクチュエータは魅力的な選択肢となる。

このため、選択は、回転機構が主に荷重を支えるインデックスプラットフォームなのか、それとも高精度サーボ軸なのかによって決まる。

半導体製造装置における中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータの比較

半導体製造装置は、モーションシステムに特に厳しい要求を課します。製造プロセスによっては、回転軸に高い再現性、低振動、精密な位置決め、コンパクトな設置、そして信頼性の高いケーブル管理が求められる場合があります。

中空回転テーブルは、ケーブルやユーティリティを中央部を通す必要があるような、大型の位置決めプラットフォームや機構において有利となる場合がある。

ハーモニックロータリーアクチュエータは、バックラッシュが少なく、サーボ制御による角度位置決めが重要な小型高精度軸に適している場合がある。

半導体アプリケーションにおいては、エンジニアは以下の点も考慮する必要があります。

• 位置決めの再現性

• 角度精度

• 機械的剛性

• 振動

• 熱安定性

• ケーブル配線

• 設置スペース

• デューティサイクル

最終的な選定は、単一の仕様ではなく、モーションアーキテクチャ全体に基づいて行うべきである。

CNCアプリケーションにおける中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータの比較

CNC装置には、安定した予測可能な回転運動が求められます。機械の構造によっては、回転機構が大きなワークピース、工具、または治具を支える必要がある場合もあります。

中空回転テーブルは、大型のワークピース、高い構造荷重、および大きな貫通穴を伴う用途において、有力な選択肢となり得る。

ハーモニックロータリーアクチュエータは、バックラッシュが少なく、サーボ機構との統合が重要な、小型の補助回転軸や精密位置決め機構に適している。

最も重要な選択パラメータは以下のとおりです。

• ワークピース質量

• 回転慣性

• 切削力または加工力

• 半径方向荷重と軸方向荷重

• 転覆の瞬間

• 位置決め精度

• 再現性

• 最高速度

• デューティサイクル

CNCアプリケーションにおいては、剛性と耐荷重性能は位置決め性能と併せて評価する必要がある。

精密検査における中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータの比較

精密検査装置には、正確な角度位置決めと滑らかな動作、そして再現性が求められることが多い。

カメラ、センサー、治具、または複数のワークピースを搭載する大型検査プラットフォームの場合、中空回転テーブルは、荷重支持とケーブル配線において利点をもたらす可能性がある。

コンパクトな光学軸や測定軸の場合、調和回転アクチュエータはより統合されたソリューションを提供する可能性がある。

重要な考慮事項は、可動質量、要求される角度精度、整定時間、および外部荷重の関係である。

高解像度エンコーダだけでは、過剰な機械的バックラッシュ、構造的な変形、または剛性不足を補正することはできません。

リチウム電池装置における中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータの比較

リチウム電池の製造装置では、組み立て、検査、選別、試験のために回転式インデックスシステムがよく使用される。

これらのシステムは複数のセルや固定具を同時に搭載できるため、かなりの回転慣性が生じる。

例えば、直径300mmのプラットフォームを備えた8ステーションのインデックステーブルは、以下の点に基づいて評価する必要があります。

• プラットフォームの重量

• ワークピースの重量

• 器具の重量

• 負荷分散

• インデックス角度

• 加速時間

• 位置決め精度

• 中空直径

中空回転テーブルは、比較的大きな回転プラットフォーム、複数のステーション、および中央のケーブルまたは空気圧配線が組み合わされた用途に特に適しています。

回転軸がコンパクトで、大きなインデックスプラットフォームを支えることよりも、高精度なサーボ制御動作が主な要件である場合は、ハーモニックロータリーアクチュエータの方が適しています。

適切なソリューションの選び方

実際の選考プロセスは、5つのステップに分けられます。

ステップ1：負荷を定義する

総質量、荷重分布、最大半径、半径方向荷重、軸方向荷重、および考えられる偏心荷重を決定する。

ステップ2：回転慣性を計算する

回転台、加工対象物、治具、およびその他の可動部品の慣性モーメントを計算します。

次に、実際の動作プロファイルに基づいて必要な加速トルクを決定します。

ステップ3：精度要件を定義する

必要な位置決め精度、繰り返し精度、バックラッシュ、エンコーダ分解能、および整定時間を指定してください。

工程で必要とされる精度仕様よりも高い精度仕様を持つという理由だけで製品を選ばないでください。

ステップ4：中空部の直径を決定する

ケーブル、空気圧配管、真空管、またはシャフトが中心部を貫通する必要がある場合は、モデルを選択する前に必要な貫通穴の直径を決定してください。

設置および将来のメンテナンスのために十分なスペースを確保してください。

ステップ5：機械構造を評価する

最後に、その機械に回転プラットフォームが必要か、それとも高精度回転アクチュエータが必要かを判断してください。

主な要件が荷重支持、インデックス機能、大きな中空径、およびプラットフォームの剛性である場合、中空回転テーブルの方がより良い選択肢となる可能性があります。

主な要件が低バックラッシュ、高精度サーボ動作、コンパクトな統合、高トルク密度である場合、ハーモニックロータリーアクチュエータの方が適している可能性があります。

高精度産業オートメーションにはどちらが適しているか？

どちらの解決策も普遍的に優れているとは言えません。適切な選択は、マシンのアーキテクチャによって異なります。

中空回転テーブルは、回転機構が大きなプラットフォームや治具を支え、半径方向および転倒方向の荷重を支え、大きな中央開口部を備え、繰り返しインデックス動作や位置決めを行う必要がある場合に、一般的に適しています。

ハーモニックロータリーアクチュエータは、コンパクトで高精度な回転軸、低バックラッシュ、高い位置決め精度、高い減速比、および統合されたサーボ制御が求められる用途において、一般的に最適な選択肢となります。

産業オートメーションにおける選定基準は、以下のように要約できます。

最終的な選定は、製造元の耐荷重、ベアリング、速度、精度に関する仕様と照らし合わせて確認する必要があります。

ホンパイン精密回転運動ソリューション

HONPINEは、産業オートメーション、CNC装置、半導体製造装置、3C製造、検査システム、その他高精度用途向けの高精度モーションコンポーネントを提供しています。

同社のハーモニックトランスミッションおよびロータリーアクチュエータソリューションは、精密な角度位置決め、低バックラッシュ、コンパクトな機械的統合、および信頼性の高いサーボ動作を必要とする用途向けに設計されています。

中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータを比較検討するエンジニアは、製品名ではなく、実際の動作条件に基づいて選定を開始すべきです。負荷慣性、加速度、位置決め精度、ラジアル荷重とアキシャル荷重、中空径、設置スペース、デューティサイクルなど、最終的な構成を選択する前に、これらの要素すべてを評価する必要があります。

これらのパラメータが明確に定義されていれば、中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータのどちらが特定の産業オートメーションシステムにとってより良いソリューションとなるかを判断することがはるかに容易になる。

結論

中空回転テーブルとハーモニック回転アクチュエータはどちらも高精度産業オートメーションに使用できますが、それぞれ異なる要件に合わせて最適化されています。

中空回転テーブルは、機械に剛性の高い回転プラットフォーム、大きな中央貫通穴、高い耐荷重性、および信頼性の高いインデックス性能が必要な場合に特に有効です。

機械が、バックラッシュが少なく、減速比が高く、正確なサーボ制御が可能で、モーションコンポーネントが一体化された、コンパクトで高精度な回転軸を必要とする場合、ハーモニックロータリーアクチュエータの方が適しています。

3Cオートメーション、半導体製造装置、CNC工作機械、リチウム電池製造、精密検査システムにおいては、負荷、慣性、精度、剛性、中空径、動作プロファイル、およびシステム統合要件に基づいて適切な選択を行う必要があります。

目標は、最も強力な回転部品を選ぶことではない。不必要なサイズ、コスト、複雑さを伴うことなく、必要な性能を提供する回転運動アーキテクチャを選択することである。