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長良の落陽。

ステッピングモーターの駆動回路

ステッピングモーターの駆動回路には、コイルに電流を流す方向によって、ユニポーラ駆動方式とバイポーラ駆動方式の2種類があります。 ユニポーラ駆動方式は単純で、回路も比較的簡単に作成することができますが、バイポーラ駆動方式の場合は回路が複雑になります。 しかしバイポーラ駆動方式は、ユニポーラ駆動方式の約2倍のトルクを得ることができるので、トルクが必要な赤道儀用モータードライブに よく用いられています。
ステッピングモーターにはPM形、VR形、ハイブリッド型などの種類がありますが、駆動回路の構成はモーターの相数によって決まるものです。 そのためステッピングモーターの種類には関係なく、コイルに磁界を発生する方式として前述のユニポーラとバイポーラ駆動方式の 二種類があります。
ユニポーラ駆動方式は、ステータコイルの中間と両端の間の内、どちらか一方だけに電流を流すことによって、磁界を切り替える方式です。
一方、バイポーラ駆動方式は、ステータコイルの中間点は使用せず、コイルの両端に加える電圧の正負を切り替えて、磁界を切り替える方式です。 ユニポーラ駆動方式に比べると2倍のトルクを発生させることができますが、接点数が多くなるので回路が複雑になります。
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3Dプリンターを用いるメリット

実際に3Dプリンターを使用すると、どのようなメリットを享受できるでしょうか。おもなメリットとして、ここでは次の6つを解説します。
アイデアを簡単に具現化できる
立体的なものをデザインする際、3Dプリンターがなければ、金型を製作する前にイメージどおりかを何度もデータの状態でチェックする必要があります。1度金型を作ってから修正が必要になると、もう一度金型の費用がかかるからです。そのため、商品ができあがるまでに相当の時間を要します。
3Dプリンターで立体プリントができれば、実物に近いものをさまざまな角度から観察できます。組み合わせの変更や形状を変更するなど、新しいイメージやアイデアが生まれる機会も増えるでしょう。
開発期間・コストの削減を実現できる
3Dプリンターのない時代は、作品を作り終えるまでに金型を製作する必要がありました。それに対し、3Dプリンターは3Dデータさえあれば、そもそも金型の製作を外注しなくともよくなります。試作品やテストパーツ、治具なども自社内で容易に製作できることから、期間を大幅に短縮でき、費用も大幅にコストカットできるのです。
さらに、データやパソコンの画面だけでは気が付かないデザインミス・設計ミスを、金型の製作前にチェックでき、ミスを未然に防ぐことで無駄なコストを抑えられます。さらに、少量であれば実際の最終製品も3Dプリンターを活用すれば、さらにコストダウンが期待できるでしょう。
品質の向上を図れる
3Dプリンターを使えば実物と同じ形状でプリントでき、試作品を製作している段階で、形状や動作を念入りにチェックできます。また、部品の組立や事前検証も容易になるため、品質の向上も図れるでしょう。
ある一定のサイズまでは、3Dプリンターで製造することが可能です。パーツを一つひとつ組み合わせていたものも、一つのものとして設計を見直して製造することで、耐久性においても従来品より向上することが期待できます。
また、耐久テストも事前に行ないやすくなり、製品化後のトラブル発生リスクの抑制につながるでしょう。
切削では作れない形の造形が可能
3Dプリンターは、3Dデータをもとにして積層方式で物体を形成するため、細部が複雑な形状のものでも製作することが可能です。それに対し、切削加工はある程度の大きさがある材料に対して、工具を使って削り出す必要があります。形状が複雑だと1回では製作できず、手順を複数回に分けなくてはならないため、それだけ時間もかかってしまうでしょう。
切削でも加工ができる形状は多数ありますが、素材から大きく削る必要がある形状だと、削る時間と材料費が多くなりがちです。3Dプリンターなら、複雑な形状でも1回で造形できるため、製作時間の短縮だけでなくコスト削減も期待できるでしょう。
情報流出のリスクを防ぐ
従来であれば、試作品においても、金型などを含めた製作を専門業者に依頼していました。その際、外部に委託することで生まれる情報流出のリスクに備え、機密保持契約の締結など煩雑な手続きをする必要があったのです。
3Dプリンターを使用すれば、試作品の製作の内製化により、製品形状や製品データを外部に持ち出さなくて済みます。情報流出のリスクを防げる点もメリットといえるでしょう。
必要なときに、必要な場所で、必要なだけ製作できる
これまで、製品が故障した際には、あらかじめ予備の製品や金型を用意しておくことで対応していました。しかし、3Dプリンターを導入すれば、データが手元にあるため必要なときに製作できます。
変更や改良を加える場合でも、データを調整するだけで対応が可能です。金型の用意も不要で、商品の余剰在庫を抱える必要もありません。また、使用していたパーツが製造中止となった際、製造や修理ができないという悩みも解消されます。
データを送付するだけで製作でき、金型を遠方まで運んで製作するといった手間も省けるので、利便性と機動性が非常に高まります。
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3Dデータの作り方

3Dプリンターの一般的なデータは「STL」「OBJ」で、ソフトの3Dデータを3Dプリンターで製造するにはこの形式のデータで出力・変換の必要があります。
3Dデータの作り方①3DCADで作成
立体的な図を作成します。高精度の部品も製品も出来ますが、扱いが難しいところがあるので慣れが必要です。無料のソフトも多くあり、最初は操作が易しいソフトを選びましょう。


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3Dデータの作り方②3DCG系ソフトで作成
流線形のデータ作成に向いています。人形など寸法が明確でない、自由曲面のある製品を作るのに適しています。ゲームやアニメのフィギュアを作るのに利用されます。

3Dデータの作り方③3Dスキャナ
3Dスキャナですでにある製品をスキャンして3Dのデータにします。一からデータ作成が不要で、3Dデータが作れます。簡単に操作が出来ますが、スキャナ本体の価格が高いというデメリットがあります。

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そもそも産業用ロボットって?

世界初の産業用ロボットは、1962年に米国で誕生しました。米国人エンジニアのジョージ・チャールズ・デボル・ジュニアが提案した「ティーチング(教示)とプレイバック(再生)により自動化に柔軟に対応するロボット」というアイデアと、“ロボットの父”と言われる事業家ジョセフ・フレデリック・エンゲルバーガーが出会い生まれたのが「ユニメート(=汎用能力をもつ作業仲間)」と名付けられた産業用ロボットだったのです。
この「ユニメート」を製造・販売するユニメーション社と、いち早く技術導入契約を結んだのが川崎重工でした。技術力を総動員して国産化を図り、1969年に日本初の産業用ロボット「川崎ユニメート 2000型」を発表。以降、国産産業用ロボットの開発は自動車産業を中心に加速します。もともと電気機器や精密機械の分野で高い技術を持っていた国内メーカーの実力がここで一気に開花し、やがて日本は世界をリードするロボット大国となりました。
産業用ロボットの種類は、6種類に大別されます。まず初期に広く普及したのが、砲台のように台座中心に旋回軸を備え、作業を行うアームが上下回転+伸縮する「極座標型ロボット」。国産初の産業用ロボット「川崎ユニメート 2000型」もこのタイプに属しています。これに似たタイプで、やはり初期に多く活躍したのが「円筒座標型ロボット」。こちらは旋回軸を中心に、上下移動+伸縮するアーム機構を持っています。また、旋回軸を使わずに縦×横×高さの3方向に直交するスライドで3次元の動きを実現するのが「直角座標型ロボット」。
このタイプは、設置面積は大きくなるものの機構がシンプルなので制御が容易なのが特徴です。 現在最も広く使われているのが「垂直多関節型ロボット」。人間の腕のような関節(=軸)を複数もつアーム+旋回軸で構成し、溶接やパレタイズ、組み立てなど様々な用途で活躍しています。水平方向の回転軸と垂直方向の直線軸で構成するのが「水平多関節型(スカラ型)ロボット」。
上下運動する先端部が水平方向に移動するため、高さが一定の作業台上での作業などに向いています。スピーディな作業を得意とするのが「パラレルリンク型ロボット」。並列(パラレル)に配置した複数の関節で先端を制御するので高速かつ精密な動作が可能で、ベルトコンベア上に流れる軽量なワークのピッキングなどに活用されています。
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サーボモーターの原理や構造

サーボモーターは、モーターに加えて、コントローラー、ドライバー、エンコーダ(回転検出器)で構成されます。
プログラムに従ってコントローラーがドライバーに指示を出し、その指示通りにドライバーがモーターを動かします。その後、モーターの動作状況をエンコーダが検出して、情報をドライバー経由でコントローラーに送ります。この動作状況が、指示した通りであるのかを確認し、誤差が生じているようであれば、再びコントローラーからドライバーを経てモーターに対して制御命令が出される仕組みとなっています。この一連の動作が、目標とする動作に一致するまで繰り返されるため、精度の高い制御が実現できるのです。
エンコーダから得られるモーターの動作に関する状況が極めて重要になりますが、この信号は「フィードバック信号」と呼ばれます。そして、フィードバック信号がドライバー側に戻され、閉じられたループを構成することから、「クローズドループ制御」と命名されています。クローズドループ制御が、サーボモーターのポイントとなる技術です。
さらに、この高精度の制御を実現するためには、起動と停止を繰り返し行っても問題なく正確に動くように、モーター自体も高性能である必要があります。
ACサーボモーターの場合は、シャフトを中心とする永久磁石の周囲を、コアとなる鉄心の周りに電線を巻き付けた固定子が取り囲むのが、一般的な構造です。固定子の電線に電流が流されると、永久磁石が回転してモーターとしての機能を果たすことになります。電線を巻く技術などが進歩したことによって、モーター全体の小型化が可能となり、慣性が小さくなることで回転の制御が容易となりました。使用される部品も、高精度/高耐久性を持ったものが使われることで、長期間安定した動作が可能となっています。
光センサーとスリットを刻んだ円盤を組み合わせたエンコーダが固定子に付けられて、モーターが回転した時の位置や速度を検出します。
これらのサーボモーターを構成する要素は、メーカーが一式セットにして、すぐに利用できる状態にしていることがほとんどです。
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