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長良の落陽。

モータの回転原理

電流と磁界と力について
最初にこれからする説明のために、電流と磁界と力に関する基礎となる法則などをおさらいしておきます。懐かしい感じがしますが、普段、磁気関連の部品を使うことが少ないと忘れがちです。
モータの回転原理
モータの回転原理を説明します。図と式を使います。
導線が長方形の場合に、電流に働く力を考えます。
辺a、cの部分に働く力Fは、
 F=B×I×l[N]
となり、中心軸を軸としたトルクを生じます。
たとえば角度θだけ回転した状態を考えると、b、dに直角に働く力はsinθ分になるため、aの部分のトルクTaは、次の式で表されます。
Ta≃h/2×B×I×l×sinθ[N∙m]
cの部分も同様に考えると全体で2倍になり、以下の式で算出されるトルクが発生します。
 T=B×I×h×l×sinθ[N∙m]
長方形の面積はS=h・lなので上記の式に代入すると、以下になります。
 T=B×I×S×sinθ[N∙m]
この式は長方形だけでなく、円形など他の一般的な形でも成り立ちます。この原理を利用したものがモータです。

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モーターのノイズ対策

1.モータのノイズの概要
電子機器の多様化に対応して、入力電力3W程度以下のブラシ付き小型直流モータ(DCマイクロモータ)は、特に音響機器、OA機器、車載機器などの分野において大幅に需要が増大している。DCマイクロモータは励磁コイルに流れる電流が、モータの回転に伴って高速でON-OFFされるため、誘導性負荷を開閉した時と同様のメカニズムでピーク電圧が高く、立ち上がりのdv/dtが極めて大きいサージが連続して発生し、これが原因で広い周波数帯域に渡ってレベルの大きなノイズが発生する。極めて広い周波数帯域に渡ってレベルの高いノイズが観測され、エミッション(EMI)規制のみならず、近年の高性能な映像機器、音響機器の画像、音質劣化など、機器自体および周辺機器に対しても様々な悪影響を及ぼしている。
① ノイズ対策部品
DCマイクロモータのノイズ対策部品としてはモータ内部に実装するリングバリスタ、外付け用としてコンデンサや巻線型インダクタが使用される。
リングバリスタ
コンデンサ
インダクタ
② ノイズ対策技術
モータのノイズの吸収は発生源で対策可能なリングバリスタが理想的で、最も効果的である。リングバリスタSTRによるモータノイズ吸収効果例として、0.6WのDCマイクロモータに50cmの電源供給用ケーブルを接続し、20g/cmの低負荷にて駆動した時に発生する輻射ノイズを3mの距離において、リングバリスタなしのモータとSTRを装着したモータについて比較した結果として、STRを装着することにより、広い周波数帯域にわたって大きな効果を発揮することがわかっている。
2.リングバリスタ
リングバリスタの吸収効果は、一般に駆動回路やモータとの相性によって大きく変化するため、モータメーカ、リングバリスタメーカを含めて十分に検討することがコストパフォーマンスを引き出すポイントとなる。
コンデンサ、インダクタのみの対策では不十分で、この両者を組み合わせてLCフィルタを構成させることにより、十分な吸収効果を得られることもある。
フィルタはDCマイクロモータの端子部分に直接接続することが重要で、例えば電源ケーブルを接続する基板側に構成しても、輻射ノイズに関してはほとんど効果は得られない。
外付けLCフィルタによる対策は、5つの素子の部品代、加工費を考えればリングバリスタによる対策がトータルで安く、確実な方法と言える。
3.モータのノイズまとめ
一般にDCマイクロモータのノイズ発生量は負荷の重さにより大きく変化する。
そのためDCマイクロモータが組み込まれた機器のノイズ測定、対策を進める場合、機器に組み込まれたままの状態では、動作に伴ってモータの負荷状態が常に変化すること、対策のために機器の分解、組み立て作業の中でモータの取り付け状態が変化すること、などの理由から測定されるノイズレベルが大きく変化するため、対策の効果を正確に捉えることが困難な場合が多い。
このためモータノイズが問題となった場合は、DCマイクロモータのみを取り出し、定負荷状態にて測定、対策を進めることが重要である。またケーブル上の電流スペクトラムを電流プローブとスペクトラムアナライザにより測定した結果は、輻射ノイズレベルとほぼ相関があることを利用して対策を進めるのも良い方法である。
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ロボット制御における特異点

エクサウィザーズMLエンジニアの柳元です。 あけましておめでとうございます(遅い)。
エクサウィザーズのRobotTechチームはこれまでにマニピュレータロボットを使って 粉体秤量 、液体秤量、 パレタイジング 、ピッキング、コンプライアンス制御などの動作を機械学習させることに成功してきました。 そして、これらの学習済みモデルを COREVERY によってデリバーしています。
学習と制御のフローを考えたりデバッグをする上で、念頭に置かなければならないことの1つとして、特異点の問題があります。今回はロボット制御におけるこの「特異点問題」についてお話しします。
ロボットの特異点(Singularity)とは?
特異点と聞いて何を想像するでしょうか?多くの人が 技術的特異点 を想像するかもしれませんが、数学・物理学・制御学においてはとあります。
ロボット制御における特異点は、構造的に制御できない姿勢を指します。軌道に特異点が含まれている場合、ロボットは特異点付近において高速に移動(暴走)し、そして特異点で停止してしまいます。 なので、制御する際にはこれを避ける必要があります。
ロボットの姿勢の表現
ロボットがどんな体勢になっているかの表現は、ふつう以下のいずれかを使用します。
1.関節変位 (Joint space) q: 関節の角度の値
2.姿勢 (Pose, Task space) r: TCP(Tool Center Point, ロボットの手先の位置)を表す3次元空間の値
例えば、URのような6DoFのマニピュレータは、6個の関節(joint)を回転させて姿勢(pose)を変化させることができます。
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3Dプリンターを選ぶときにチェックしたい〜5つのポイント〜

3Dプリンターを導入する際に役立つ、造形方式や抑えるべきポイントの情報をまとめてみました!
初めての方も、2台目以降を検討している方も、こちらを読んでぜひ3Dプリンター選びの参考にしてみてください。
【CHECK 1】 3Dプリンターを導入する際にどのような点を抑えればいいのでしょうか?
3Dプリンターを導入する際に抑えておくべき点は、3Dプリンターの利用目的にあった「造形方式」と「使える材質」、「精度」、
「造形サイズ」になります。
3Dプリンターの主な5つの造形方式とは?
3Dプリンターの造形方式は大きく分けて、「熱溶解積層方式(FDM法)」、「光造形方式(SLA/LFS法)」、「粉末焼結方式(SLS法)」、「インクジェット方式」、「粉末積層方式」の5つがあり、造形方式によって使える材料が異なります。
各造形方式をクリックすると詳細の説明にジャンプします。
【CHECK 2】 3Dプリンターの精度=積層ピッチではない
よく3Dプリンターの精度を表現するために、積層ピッチ(1層で何mmずつ積層するかという値)が使われますが、実は積層ピッチは指標の一つでしかありません。
積層ピッチが細かいほど、緩やかな斜面の積層痕は目立たなくなるので、一見精度は良くなっているように感じます。
しかし、各層のXY方向の位置決めがずれていると、いくら積層ピッチが細かくても、各層でズレが生じてしまいます。
積層ピッチが細かくなるほど3Dプリンターによる造形時間はかかりますので、造形したいものが何なのかによって最適な設定をすることが必要になります。
【CHECK 3】 3Dプリンターが造形できるサイズは大きければいいものではない
3Dプリンターの造形サイズも何を造形するかによって最適な選択は変わってきます。
造形サイズが大きくなるほど、材料によっては熱応力による歪み、反りなどが発生します。場合によっては、大きいものでも分割して造形したほうが良かったり、造形サイズが足りない場合でも、斜めに配置することで造形できたりします。
また、材質によっては大きいものを造形する際に、材料費が高額になる場合もあります。
例えば繰り返しの試作をスピーディーに行う目的で導入されても、1個造形するのに材料費が数万円レベルでかかれば、気軽に造形できなくなってしまいます。
一方、材料費が数万円かかっても、1品もののクオリティの高い試作品を作ることが目的であれば、それは正しい3Dプリンター選びができていることになります。
【CHECK 4】 3Dプリンターを購入した後のメンテナンスやサポート体制
3Dプリンターを購入した後のメンテナンスやサポート体制なども導入前にしっかり調べておくことが重要です。メーカーによってサポート体制が全くない場合もあります。その際にはトラブルシューティングをユーザーですることになり、実際の設計業務とは関係のない作業に時間を取られてしまう場合もあります。
安価なものでも、きちんとサポートが受けられる機種を選定することも場合によっては必要かもしれません。
【CHECK 5】 悩んだとき、初めてで困っているときは・・・まず手頃な価格でデビュー
全く3Dプリンターを使ったことが無い方は、まずは手頃な価格の評判良い機種を買って、使い倒すことをおすすめします。
そして、3Dプリンターがどういうものか分かったら、より良い機種へだんだんとグレードアップさせて制作に役立ててみてください。
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主な3Dプリンター用素材

3Dプリンターの素材と言えば、ABS樹脂とPLA樹脂が最も一般的でしたが、耐候性の強いASA樹脂、耐熱・耐薬品性の強いPP樹脂、エンジニアリングプラスチックのPC樹脂やナイロン樹脂、そのほか、アクリル樹脂、PETG、熱可塑性ポリウレタン、金属なども3Dプリンターで造形できるようになっています。
ここからは、主な3Dプリンター用素材をご紹介していきましょう。
パウダーベッド方式
ABS樹脂とは、アクリロニトリル(A)、ブタジエン(B)、スチレン(S)の三つの有機化合物を結合した熱可塑性樹脂です。最も汎用性の高いプラスチックで、さまざまな製品に使用されています。
ABS樹脂のメリットは、耐衝撃性や耐熱性、耐薬品性に優れていること。また塗装や研磨といった、造形後の加工がしやすいです。
デメリットは、耐候性に弱く、太陽光が当たるところで長時間使用すると強度が低下したり、湿気で反り返ってしまったりすること。安定性が低く冷やすと収縮して反り返りやすいため、特に大きい造形物は造形不良が起こりやすくなります。
PLA樹脂
PLA樹脂は、トウモロコシやジャガイモなどのデンプンを使用した植物由来の熱可塑性樹脂。石油由来のABS樹脂の代替素材として開発された、エコなプラスチックです。
PLA樹脂のメリットは、ABS樹脂よりも安定性が高く、冷やしても収縮や反り返りが起こりにくいこと。大きい造形物の製作にも向いています。
また樹脂が溶けた嫌な臭いがしないのも、嬉しいポイントです。
デメリットは、表面は硬くて丈夫なのですが、耐衝撃性や耐熱性が弱いこと。塗装や研磨などの、造形後の加工が難しいです。
ASA樹脂
ASA樹脂は、ABS樹脂のブタジエンを、アクリレートに置き換えた熱可塑性樹脂です。基本的に、ABS樹脂と特性は同じなのですが、耐候性が高く、屋外で使用しても劣化しにくいというメリットがあります。
PP(ポリプロピレン)樹脂
PP樹脂は、熱可塑性樹脂で、よく耐熱容器などに使用されているプラスチックです。
PP樹脂のメリットは、耐熱性や耐衝撃性、耐薬品性に優れていて、さらに軽いこと。
冷やした時の収縮率が高いため、熱溶解積層方式(FDM方式)での造形は難しいと言われており、主に粉末焼結方式(SLS方式)で使用されてきましたが、最近は、熱溶解積層方式(FDM方式)向けのPP樹脂フィラメントも登場しています。
PET(ポリエチレン・テレフタレート)/PETG
PETは、ペットボトルの素材として使用されている熱可塑性樹脂です。
PETのメリットは、強度や耐久性、耐熱性に優れていること。透明性のある素材ですが、3Dプリンターで造形するとペットボトルほど透明なものは出来上がりませんので注意してください。
PETGは、PETの強化素材で、PET以上の透明性と、ABS樹脂と同じレベルの強度や耐久性、耐熱性、さらにPLA樹脂レベルの安定性を持つ優れた素材です。
エポキシ系樹脂
エポキシ系樹脂は、熱を加えると硬化する、熱硬化性の液体樹脂です。
エポキシ系樹脂のメリットは、安定性と耐薬品性に優れていること。
エポキシ系樹脂で一般的な素材は、ABSライクとPPライク。どちらも紫外線で硬化する液体樹脂で、光造形方式(SLA方式/DLP方式)で使用されます。
それぞれ、ABS樹脂とPP樹脂に似た性質を持っていますが、ABSライクは、ABS樹脂よりもやや強度が劣るため、ABS樹脂の代替としての使用にはあまり向きません。
アクリル樹脂
アクリル樹脂は、透明度の高い熱可塑性樹脂です。
アクリル樹脂のメリットは、耐衝撃性と耐候性に優れていること。そのため建材や車両によく使用されています。
デメリットは、PET/PETGと同じように、3Dプリンターでは高い透明性を再現できないこと。また、表面に傷がつきやすいです。
PC(ポリカーボネート)樹脂
PC樹脂は、熱可塑性樹脂で、特に強度や耐熱性などに優れ、主に工業製品に使用される「エンジニアリングプラスチック」です。
PC樹脂のメリットは、プラスチック素材の中でも最高レベルの強度。また耐熱性や耐衝撃性、耐候性も高く、さらに軽いことです。
屋外での使用もでき、また研磨すると美しい光沢を放って高級に見えます。
デメリットは、高温多湿の環境に弱いこと。対応機種があまり多くないことも挙げられます。
ナイロン樹脂(ポリアミド樹脂)
ナイロン樹脂もエンジニアリングプラスチックです。アパレル製品や自動車のパーツなどに使用されています。
ナイロン樹脂のメリットは、耐衝撃性や耐熱性、耐薬品性に優れた柔軟性のある素材であること。
デメリットは、粉末焼結方式(SLS方式)では一般的に使用される素材ですが、熱溶解積層方式(FDM方式)での造形は難しく、対応機種が限られていること。
またデメリットではありませんが、素材の特徴として、表面が少しざらついています。
熱可塑性ポリウレタン
熱可塑性ポリウレタンとは、ゴムやエラストマーのことです。食品業界や医療業界でよく使われています。
熱可塑性ポリウレタンのメリットは、耐熱性、柔軟性に優れていること。また厚みを調整することによって、硬さを調整できるほか、着色もできます。
デメリットは、安定性が低く、対応機種が限られていることです。
石膏
石膏は、バインダージェット方式でのみ使用できる粉末材料です。主に模型やフィギュアなどの、デザイン確認に使用されています。
石膏のメリットは、材料費が安く、造形にかかる時間が短いこと。また着色がしやすいです。
デメリットは、耐久性が低く、とても脆いこと。また粉末素材のため、造形後の粉末除去、健康被害や事故を防ぐための粉じん対策が必要で、意外と手間がかかることも挙げられます。
金属
金属3Dプリンターにはいくつかタイプがあり、機種によって、鉄、銅、ニッケル、チタン、シルバー、ステンレス、アルミニウムなど、さまざまな金属素材を使用することができます。
金属素材は、主に最終製品の製造に使用され、自動車や航空機、医療パーツなど、さまざまな用途で使用されています。
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