ユニバーサルジョイントの不等速回転

質問

微少移動機構の絶対精度不良で悩んでいます。パルスモータ－ジョイント－中間軸－ジョイント－送りねじという構成で、送りねじはリードが１mm。数mm以上の移動の場合は良いのですが、50ミクロン、100ミクロンといった微少送りの場合に、絶対精度が最大10‐20%以上ずれてしまいます。プラスマイナス両方向にずれが出るので、数十ミクロンピッチでパルスを送り、実際に移動した距離とのずれを測定したところ、軸の90°回転周期（0.25mm周期）で振れているのがわかりました。よってユニバーサルジョイントの不等速性を疑っているのですが、ユニバーサルジョイントは中間軸の両側に同じ向きで取り付けることになっています。これがわずかにずれた場合、等速性がどの程度ずれるものなのでしょうか。計算式のようなものがわかれば幸いです。また、これ以外に原因が考えられますか。パルスモータは0.72度ピッチのものをマイクロステップで駆動しています。

回答No.6

noname#230359

通りすがりで投稿した者です。機械学会の論文の件は、なにせ古い記憶で定かではありません、もし記憶違いなどがあったらゴメンなさい。ＵＪジョイントのメーカーは必ず計算式を持っていると思います。一度ご照会されるか、諸元を明らかにして計算していただいたらどうでしょう、これが早いように思えます。

軸がφ５ｍｍでは、確かにＮＴＮのＣＶＪは大きすぎます。ご使用のＵＪは小径のようですが、十字軸とヨークとの関節がすべり軸受のタイプではないでしょうか。ＵＪでは入力軸ヨークから十字軸を介して中間軸のヨークに動力を伝え、同様に出力軸に伝達されて行きます。この関節部のガタが大きいと、連続回転であればガタの影響は微少ですみますが、微小な間歇送りでは、ガタの影響は無視できないと思います。

回転角９０°周期の変動が認められておられるようですから、間違いなくＵＪの不等速性が第一原因です。これに関節部の影響が加わっていることはないでしょうか。針状ころタイプでも関節部のラジアルすきまは結構大きいため、関節部ガタによる影響を除去する対策はないように思えます。

なお、ジョイントの折り曲げ角が大きくなる程、取付け誤差による不等速は増大します。ＵＪで２２°は大きいと思います。スライドヨーク部の軸方向動きも結構大きいのではないでしょうか、この部分のガタ影響もパルス送りでは無視できないと思います。

お礼

現在本件メーカに問い合わせ中です。（代理店経由のせいかまだ回答が…）

>十字軸とヨークとの関節がすべり軸受のタイプではないでしょうか。
その通りです。

>微小な間歇送りでは、ガタの影響は無視できない
一応，メーカの仕様ではゼロバックラッシュとなっています。関節部のガタはほとんどないような感じです。…といっても手で触ってμｍ単位のガタはわからないかもしれませんが。

>スライドヨーク部の軸方向動きも結構大きいのではないでしょうか
確かにスラスト？方向に力がかかるので，この影響もあるかもしれません。
固定はＷポイントネジなのでそれほど強固に固定していませんので。

いろいろありがとうございます。

回答No.5

noname#230359

遅いレスで申し訳ありません、通りすがりに拝見、気になりましたため、投稿致します。すでに解決されていますでしょうか。

ユニバーサルジョイント（ＵＪ）は元々不等速です。これを２個セットにすることで擬似等速を得ますが、ご質問のように完全な取付けは不可能で、わずかなズレが生じ等速性が損なわれます。加え、４４°の動作角は大きく不等速性はより大きくなります。

従い、精密な送り機構にＵＪを使用することは推奨できません。構造上、どうしてもジョイントが必要なときは、等速性に優れた等速ジョイント（ＣＶＪ）の採用が推奨されます。

軸受メーカーであるＮＴＮが、産業機械向けの等速ジョイント、トリボールジョイントを販売しています。
一度カタログなどを取り寄せられ、ご検討されたらいかがでしょうか。下記ＵＲＬに産業機械用等速ジョイントに関する紹介論文などもありました。

なお、ＵＪのセット誤差による等速性の崩れを数値的に算出する式は存在するようですが、相当難しく複雑だと聞いています。機械学会などが発行した古い論文誌に掲載されていたように記憶しています。３０年以上前だったか、定かではなく申し訳ありません。ご関心が強いようであれば探索されたらと思います。

参考URL：

http://www.ntn.co.jp/japan/product/index.html

お礼

ありがとうございます。
　本件なかなか検証する時間が無くてそのままになっています。(^^; 50μ移動して5μmの誤差は問題ですが，10mm移動して5μmの誤差は0.5%。装置の本質的な性能への影響が極わずかなもので。
　そうですね，やはりＵＪは軸1回転以内の精度を求める場合には使用してはいけないのですね。ただ，ジョイントの取付けの狂いはあっても数度だと思われます。それ以上だと目視で気がつきます。それだけのずれで20%近い誤差が出るものなのか検証したいと思いまして。30年前の機械学会の論文ですか…ちょっと難しそうですが調べてみます。
　等速ジョイントもいろいろカタログを取り寄せたりして調べましたが，大トルク伝達用の巨大なものがほとんどで，小トルク高精度向け（φ5mm程度の軸に使用できるようなもの）は見つかっていません。

回答No.4

noname#230359

推測するようですみませんが、恐らく芯の同軸度を調整するためにユニバーサルジョイントの利用を図られたのでしょうか？
そうであれば、nomuraさんご指摘のすべりジョイントがいいと思います。ユニバーサルジョイントは微妙な回転伝達には向かないと思います。（二つの十字ジョイントの平行度という計測しがたい厄介な問題を抱えるような感がします）
尚、楕円周期に関しては２ＤＣＡＤソフトのＭｉｃｒｏｃａｄａｍが利用できれば回転角と周長の検討が作図で可能です。Ｍｉｃｒｏｃａｄａｍの作図楕円は精確です。

補足

同軸度…というより、必要とする機構は
「一直線上ではない２つの軸間（距離約50mm）をモータの動力伝達する機構。トルクは1kgcm程度。等速回転、ゼロバックラッシュ、最小スペース、低コスト、の必要あり。」といった感じですかね。
計算は確かに厄介そうです。AutoCAD、3D-CADはあるのですが高度な使い方は。。。

回答No.3

noname#230359

どのくらいの偏角でしょうか？

ユニバーサルジョイントの許容角度内でしたら方向は関係ないはずです。（無理な力は掛かりません。）

角度が小さければバネ式（変形式）の物も使用できると思います。（バックラッシュ＝０）

バネ式の物を多段に使えば小スペースで大偏角が可能です。←コストはアップですが。

どうしても角度が取れない場合は、中間シャフトを長くすれば可能です。（この場合、全長は増えますが・・・）

日本ピストンリングに変わったリンク式のものが有ります。（こちらも角度によっては変位が出てしまうかもしれませんが一見の価値が有りますよ。←大変位で特殊な（画期的？）構造です。）

以上ご参考まで。

参考URL：

http://www.ctktv.ne.jp/~s-nomura/public.htm

補足

偏角は44度ほどあり、シングルを断念してダブルに変えましたので関節1個の偏角は各々約22度ずつ。ダブルなので入力と出力軸は自然に等速回転になっているように思われますが、メーカのＭ社からは２個同位相に取り付け、中間軸はベアリングで固定するよう指定されています。
ばね式というのはベローズカップリングみたいなものですか。確かにコストは問題かもしれませんが一考の余地あります。
日本ピストンリングはＨＰで見て資料請求中ですがちょっと高そうなのと小型のものは無さそうですね。
すべりジョイントは具体的にメーカ等おすすめありますか。

回答No.2

noname#230359

リンク式のユニバーサルジョイントの場合、構造上９０度ごとに入力回転角に対して出力回転がリンクピンの向きが曲がり方向と一致したときに変位が最小になるポイントがあるのかも知れません。
２個のジョイントの取り付けを４５度ずらせば誤差は半分になると思いますが、この場合４５度ピッチで誤差が現れるはずです。

ご質問の使用方法ではモーター軸とネジ軸の位置を変換していると思いますが、誤差０が必要な場合は、リンク式のユニバーサルジョイントではなく、スライド式のジョイントまたはギヤー等に変更しなければならないかも知れません。？？

位置変換後（ネジ側）の所で減速出来れば（１／減速比）に誤差を減らせますが・・・

参考URL：

http://www.ctktv.ne.jp/~s-nomura/public.htm

補足

回答ありがとうございます。ジョイントの向きは同一にしないと等速回転にならないとメーカから言われていまして45度ずらすことは考えていませんでした。一度ずらして測定してみたいと思いますが、ジョイントの向きをずらすとジョイントに無理な力がかかる気もします。
ジョイントをスライド式等のものに変更することは現在考慮中です。できるだけ小型のもので等速回転のものがあれば教えていただけると幸いです。ギア式などは使用できません。バックラッシュを限りなく小さくしたいもので。現在バックラッシュは10ミクロン以下です。

回答No.1

noname#230359

モーター軸と送りねじ軸の平行度がずれていませんか？絶対精度のズレに誤差があるというのは、よく理解できませんが。平行度だけの問題であればズレに周期性（タイミングだけでなくズレ量を含む）があるのですが。２０％の誤差のおおきさというのは平行度以外の要因ですね。
それが周期性を持っているとすれば、ユニバーサルジョイント自体の誤差（軸受け部での軸のすべりとか）、モーターの狂いなど送りねじより前の部分でのチェックが必要と思います。
周期性が無視できるなら送りねじのバックラッシュ管理が考えられます。（当然ボール伝動ねじですよね）

補足

素早い回答ありがとうございます。モータ軸と送りねじの平行度の誤差でずれが生じる・・・確かにありえますね。一応設計上は平行ですが、機械加工および組立て精度の範囲内でのズレはあると思います。平行度が何度ずれると回転誤差がどのくらい出るという計算ができればいいのですが。恐らく平行度のズレはわずかだとは思われ、20％もの誤差の要因とはならない気もします。
ズレの周期ですが、例えば25ミクロン移動分のバルスを送って誤差を計ると2ミクロン多く動き（27ミクロン）再度25ミクロン移動すると3ミクロン多く移動し…と増えていき、5ミクロン程度まで増えた後今度は徐々に誤差が少なくなってやがてマイナスとなる…つまり90°（0.25mmピッチ）で位相が変わる。という感じで，その一周期が500ミクロン（送りねじ半回転）ということです。
送りねじはボールネジで、精度はC3級。送りにばらつきが出るとは考えにくいですがメーカ確認中です。