ステップモータで駆動する振動成分の多い負荷トルク測定に適するトルク変換器
- ステップモータで駆動する振動成分の多い負荷トルク測定に適するトルク変換器を開発しています。
- ステップモータのトルク振動や起動停止時の衝撃的トルクによって、ロータと負荷の機構が共振し、脱調が発生することがあります。
- ねじり剛性の高い、低トルク容量のトルク変換器を探しています。また、半導体ひずみゲージを貼って自作する方法も検討していますが、難易度が高いため、新しい方法を募集しています。
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ステップモータで駆動する振動成分の多い負荷トルク…
ステップモータで駆動する振動成分の多い負荷トルク測定に適するトルク変換器 出力トルクが最大1Nm程度のステップモータで、材質CRのS3Mタイミングベルトを駆動して、葉書大の紙媒体を搬送する機構の開発をしています。 別の機構からランダムに送られてくる媒体に同期して、搬送機構を起動停止させ、媒体を一定間隔で搬送機構上に並べるものです。 タイミングベルト、ベルトプーリ、シャフト、モータのロータ等、全可動部品の慣性モーメントを計算して加速減速トルクを算出し、主としてゴムベルトの粘弾性負荷、摩擦負荷を想定して、ステップモータのトルクに充分なマージンがあると考えているのですが、時々、脱調が発生します。 そこで、ステップモータと搬送機構の間にトルク変換器を入れて、実動作中の負荷トルクを測定しようとしています。 測定容量が1Nm程度のトルク変換器は、低トルク測定の領域に属するため、ビームにひずみゲージを貼って感度を確保した構造になっており、ねじり剛性が低くなっています。 このため、もともとのステップモータのトルクの振動成分や、起動停止時の衝撃的トルクによって、ステップモータのロータと負荷の機構がねじり共振を起こして、現象が変わったり、トルク波形に共振成分がのったりして、脱調がどういう時にどうやって発生するのか把握することができません。 ねじり剛性の高い、低トルク容量のトルク変換器をご存知でしたらご教示頂きたくお願い致します。 通常のシャフトに半導体ひずみゲージを貼ってトルク変換器を自作することも考えているのですが、スリップリング等難しく、何か良い方法がございましたらご教示頂けると幸いです。
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〔小野測器〕では各種のトルクの測定器を製作販売しています。 取付方法等の工夫が必要になると思いますが、次のURLをクリックして参考に して下さい。 〔小野測器/デジタルトルクメータ〕 http://www.onosokki.co.jp/HP-WK/whats_new/catalogs/selection/torque_selec_13.pdfhttp://www.onosokki.co.jp/HP-WK/products/estimate/torque/index.htm なお、同期運転する場合の駆動装置は通常のステッピングモータですと一旦、 遅くなる(同期がずれる)とそのままで回転し続け、追い掛けて早く運転する (同期状態に戻すこと)ができません。 この対応として「脱調レスタイプ」や「脱調補正機能付き」のステッピングモータ にするか、「サーボシステム」にすることを検討されると良いと思います。
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やや容量が大きいものの方が剛性は高いと思います。測定精度が得られれば ご検討下さい。
お礼
ご指導ありがとうございます。 測定容量が大きければねじり剛性は高いので、測定容量が5Nmのものを選べばねじり剛性は必要充分に確保できそうです。 ただその場合、5Nm=50kgf-cmのFull Scaleセンサで最悪でも0.5kgf-cm程度の精度で測定したいので、S/Nが心配です。 なにせ高価なものですから、買ってやってみたらダメだったでは済まないので躊躇しています。 輸入品でねじり剛性の高いものがあるという情報がありましたので、調べています。 分かったら報告します。 ご指導頂いてからずいぶん時間が経過しましたが、ようやくご報告できる状態になりました。 適切な測定容量のものからねじり剛性が高いもの選ぶということの結果、 KISTLER社の4503A1Lを購入しトルク測定Benchを組みました。 当初考えたようにねじり剛性は高くなく、Step Motorで駆動する場合はトルク信号にねじり振動成分が乗ることがあるので、ローパスフィルターを掛けています。 その他の場合は、ねじり剛性を追求したおかげで、実に快適なトルク測定が可能となりました。 ありがとうございました。
脱調がどういう時にどうやって発生するのかを把握するだけなら、ステップ モータの両軸タイプ等を使用してエンコーダーを取付け併行して確認すると 分析が可能と考えます。（モータ交換で確認する意味が？？ですが…。） また、貴殿が使用しているステップモータメーカーにあるかは不明ですが、 脱調が確認できるユニットを揃えているメーカーもありますので、確認して みて下さい。 さて、小生の推測では、 ? ｛加速走行(回転)トルク(パワー)＋通常走行(回転)トルク(パワー)｝×2 程度以上のパワーが必要でありますが、その値より少ないパワーでモータ 選定をしているか、選定時の加速時間より速い加速時間で設定している。 ? 選定時の減速時間より速い減速時間で設定している。 ? ステップモータの停止トルクは、磁石の磁力だけなので走行(回転)トルク より一般的には小さくなっています。その時に、外力や外力からの衝撃力 が掛かると脱調し易くなります。 等々が原因と考えます。 起動停止時の衝撃的トルクの記述が気になり、?～?を記述しました。 また、ステップモータはサーボモーターより比較的安価で操作等が簡単であり ますが、脱調する欠点がありますので?のようにトルク(パワー)を余裕を多く みて選定します。 因って、今一度選定内容を再確認する必要があると考えます。 それなら、ステップモータ軸から入ってくる入力衝撃力が原因と推測します。 ? 減速機がハーモニックTypeを使用していて、入力衝撃力が加わると、減速 機が歯飛びする構造となっている ? 入力軸からシフター構造になっていて、その動作時に周囲のガイドに接触 すると、入力衝撃力が入力軸からステップモータに入ってくる機構仕様と なっている 等々であれば、間違いがありません。（回生衝撃エネルギー？？かな？） それは、如何でしょうか？ また、ステップモータの選定は、スペースの制約があってなら、回転監視用の エンコーダを使用して、クローズ制御しては駄目なのでしょうか？
お礼
ご指導頂いてからずいぶん時間が経過しましたが、ようやくご報告できる状態になりました。 適切な測定容量のものからねじり剛性が高いもの選ぶということの結果、 KISTLER社の4503A1Lを購入しトルク測定Benchを組みました。 当初考えたようにねじり剛性は高くなく、Step Motorで駆動する場合はトルク信号にねじり振動成分が乗ることがあるので、ローパスフィルターを掛けています。 その他の場合は、ねじり剛性を追求したおかげで、実に快適なトルク測定が可能となりました。 ありがとうございました。
補足
ご指導ありがとうございます。 何をしたいかある程度説明した方が良いと考えたのですが、背景を中途半端に書き過ぎたようです。 申し訳ありませんでした。 脱調がどういう時に発生するかは、もともと回転監視用のエンコーダが付いているのと、相電流の波形から把握できています。 また、設計上のトルクマージンは、加減速トルク、粘弾性/摩擦負荷トルクに対して、ご指摘の通り2倍以上を確保しています。 加減速トルクはスルーイングテーブル値から直接角加速度を算出していますので、設定誤りは考えられません。 ステップモータの選定は、スペースの制約があって、国内の有力ステップモータメーカの製品の中から、実装できる範囲で最大レベルのプルアウトトルクのものを使用しています。 私の経験では、これで脱調は発生しないはずです。 それでも脱調が発生するので、原因は2つ考えています。 ?媒体とベルトの関係が少し複雑で、動負荷トルクの見積もりが難しいところがあるので、負荷トルクが想定以上に大きくなることがあって、モータのトルクが不足することがある。 ?ステップモータの取り付けベースの剛性が少し低いので、モータ本体が振動して本来のトルクより落ちることがある。 それで、どうしても実駆動時の動負荷トルクを測定したいわけで、加減速時のトルク測定のために、高ねじり剛性の低トルク容量のトルク変換器を探しているというのが今回の質問でした。 懇切なご指導ありがとうございます。 ご指摘のような高級な機構ではありません。 単なるステップモータと単純にPulleyに掛けたBeltが回転するだけの機構です。 Mecha要因で衝撃力が発生する要因はありません。 ステップモータの最大トルクに見合うトルク変換器のねじり剛性が低いため、ステップモータと機構の間にトルク変換器を入れると、ステップモータとトルク変換器の間のねじり剛性が1/10くらいに低下してしまいます。 このため、単にステップモータを起動する時のステップ状のトルク（これを衝撃力と書きました）によって、トルク変換器の内部Shaftがねじれて、トルクセンサの出力はトルクではなくねじり振動を出力しますし、ステップモータの脱調の原因にもなってしまうという状況です。 輸入品で、ねじり剛性が高いトルク変換器があるという情報がありましたので調べています。 分かったら報告します。 一つ書き忘れました。 コストとCPUの負荷の点から、あくまでもOpen制御を追及しています。 回転監視のエンコーダと書きましたが、単に、回転しているか/止まっていないかを監視する程度のものです。 極端にいうと、半月板の回転をセンサで見ているだけです。
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