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10. 駆動トルク

ボールねじの摩擦特性と駆動モータの選定

10-1. 摩擦と効率

ボールねじの効率ηは摩擦係数をμ、ねじのリード角をβとすると次式で示されます。

計算式

10-2. 負荷トルク

駆動源の選定(モータ等)に必要な負荷トルク(定速駆動トルク)は次のようになります。

①正作動 回転力を軸方向力に変換する場合のトルク
②逆作動 軸方向力を回転力に変換する場合の軸方向外部荷重
③予圧に起因する摩擦トルク 予圧をかけることにより生ずるトルクで、外部荷重の増加にしたがい予圧ナットの予圧荷重は解放され、予圧による摩擦トルクも減少します。

11. 駆動モータの選定

駆動モータを選定する場合次の条件を満足する必要があります。

  1. モータの出力軸にかかる負荷トルクに対して余裕があること。
  2. モータの出力軸にかかる慣性モーメントに対して所要のパルス速度で起動・停止ができること。
  3. モータの出力軸にかかる慣性モーメントに対して所要の加速、減速時定数が得られること。
図
①モータ出力軸にかかる定速トルク 外部荷重に抗して定速駆動するのに必要なトルク
②モータ出力軸にかかる加速トルク 外部荷重に抗して加速駆動するのに必要なトルク
③モータ出力軸にかかる総トルク 総トルクは式①、②の和で求められます。

なお、モータの仮選定後、

  1. トルク実効値のチェック
  2. 加速時定数のチェック
  3. 過負荷特性、起動・停止のくり返しに対するモータ過熱許容値のチェックを行い余裕がある事が必要です。

12. ボールねじの選定例 (X軸の場合)

取付方法と適用例

12-1. リード(L)の設定

モータの最大回転数と早送り速度より次式にて計算します。

計算式

この場合、20mm以上のリードが必要となります。

12-2. ナットの選定

(1)軸方向荷重の算出

6-2.の軸方向荷重の計算式より各運転パターンにおける軸方向荷重を計算します。

・定速時
軸方向荷重(Pb)=μWg=0.02×40×9.8≒8(N)
・加速時
加速度(α)=
(Vmax/t)×10-3=(1000/0.15)×10-3=6.67(m/s2)
軸方向荷重(Pa)=
Wα+μWg=40×6.67+0.02×40×9.8≒274(N)
・減速時
軸方向荷重(Pc)=Wα-μWg=40×6.67-0.02×40×9.8≒260(N)

(2)各運転パターンにおける1サイクル中の運転時間

デューティサイクルモデル線図より以下となります。

動作パターン 加速 定速 減速 総使用時間
使用時間 0.60 0.84 0.60 2.04

(3)各運転パターンにおける軸方向荷重、回転速度、運転時間のまとめ

動作パターン 加速 定速 減速
軸方向荷重 274N 8N 260N
回転数 1500min-1 3000min-1 1500min-1
使用時間率 29.4% 41.2% 29.4%

(4)軸方向平均荷重を算出

6-3.の計算式より算出します。

計算式

(5)平均回転数を算出

計算式

(6)所要基本動定格荷重の算出

①正味運転寿命時間(Lho)を算出
希望寿命時間より休止時間を除く正味運転寿命時間は、
1サイクル4.01sにおいて、運転時間は2.04sのため次のように計算できます。

計算式

②所要基本動定格荷重の算出
6-1.の計算式より正味運転寿命時間を確保するために必要なボールねじの基本動定格荷重を計算します。

計算式

(7)ボールねじの仮選定

リード20、基本動定格荷重2970Nを満たすボールねじとして、BSS1520を仮選定します。

12-3. 精度確認

(1)精度等級と軸方向隙間の検討

「ボールねじリード精度」の一覧表より、
位置決め精度±0.1/720mmを満足するのは、代表移動量誤差±ep0.040/800~1000mmである精度等級C5であることが確認できますので、BSS1520で問題ありません。

また、「ボールねじの軸方向隙間」の一覧表より、
BSS1520の軸方向隙間0.005以下は、繰返し位置決め精度±0.01mmを満足することを確認できますので、BSS1520で問題ありません。

12-4. ねじ軸の選定

(1)ねじ軸全長の選定

ねじ軸全長(L)=
最大ストローク+ナット長さ+余裕量+軸端寸法(支持側、固定側)ですので、

最大ストローク: 720mm
ナット長さ: 62mm
余裕量: リード×1.5=60mm
軸端寸法: 72

ねじ軸全長(L)=720+62+60+72=914(mm)

* 余裕量とはオーバーラン対策の量で通常はリードの1.5~2倍程度に設定します。
リード20×1.5×2(両端)=60(mm)

(2)許容軸方向荷重の検討

荷重作用点間距離ℓ1は820mmですので、「4.許容軸方向荷重」の計算式より許容軸方向荷重Pは、

計算式

軸方向最大荷重274Nは許容軸方向荷重7225N以内なので問題ないことが確認できました。

(3)許容回転速度の検討

支持間距離は790mmですので、「5-1.危険速度」の計算式より
許容回転数Ncは、

計算式

最高回転速度3000min-1は、許容回転速度3024min-1以内なので問題ないことが確認できました。

また、DmN値は、「5-2.DmN値」の式より、
DmN=
(ねじ軸外径+A値)×最高回転速度=15.8×3000=47400≦70000

となり条件を満たすことが確認できました。

12-5. 選定結果

以上より適合するボールねじの型式は、BSS1520-914となります。

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