ロッドレスシリンダーのモーメント耐力はどれくらいですか？

組立ライン、包装機械、マテリアルハンドリングセットアップ用のリニアモーションシステムを設計したことがある方なら、おそらく、従来のロッド式エアシリンダに代わる省スペースな代替品としてロッドレスシリンダに出会ったことがあるでしょう。しかし、アプリケーションに合わせてサイズを決定する詳細を検討している場合、他の質問よりも 1 つの質問が浮かび上がります。それは、ロッドレス シリンダのモーメント容量はどのくらいですか?ということです。製造エンジニアからのこの質問に 10 年以上にわたって対応してきたロッドレス シリンダのサプライヤーとして、私はここで、モーメント容量が実際に何を意味するのか、それが重要である理由、およびその計算方法、さらにこれらのコンポーネントのサイズを決定するときによく見られる間違いを詳しく説明するためにここにいます。

まず、人々がスキップしがちな基本をしっかりと理解しましょう。ロッドレスシリンダは、ロッド付きシリンダとは異なり、端から長いロッドを伸ばすのではなく、密閉されたバレルに沿って負荷を移動させます。この設計により、外部ロッド シールの必要性がなくなり、システム全体の長さが短縮され、バレルに乗るキャリッジに負荷を直接取り付けることができます。しかし、その代償として、荷重は剛性のガイド付きロッドで支えられていないということになります。そこで登場するのがモーメントキャパシティです。

モーメント容量とは、簡単に言えば、損傷や位置ずれが発生する前にロッドレスシリンダが処理できる曲げまたはねじりの力の最大量です。このように考えてください。移動するキャリッジの中心から 12 インチ離れた位置に 50 ポンドの部品を取り付けると、キャリッジの一方の側を押し下げ、もう一方の側を引き上げる曲げモーメント (力と距離の積として計算) が発生します。多すぎると、バレルに傷がついたり、キャリッジの詰まりが発生したり、シリンダー本体に亀裂が入ったりする可能性があります。午前2時に工場長に説明するほどの工場閉鎖ではない

現在、すべてのロッドレスシリンダが同じように作られているわけではないため、モーメント容量は大きく異なります。選択するロッドレスシリンダのタイプがモーメント容量の最初で最大の要素であるため、当社が供給する主なタイプとその中核機能を見てみましょう。

まずはガイド付ロッドレスシリンダ。これらは、さらなる負荷安定性が必要なアプリケーションにとって主力製品です。ガイド付きロッドレスシリンダは、メインのエア駆動キャリッジと別個のリニアガイドレールおよびベアリングを組み合わせているため、負荷はバレル上のキャリッジだけではなく、平行な 2 点で支えられます。これは、モーメント容量がガイドなしモデルよりも大幅に高いことを意味します。サイズに応じて、100+ N·m (または ~74 lb·ft) を超える曲げモーメントを処理するガイド付きモデルが定期的に見られます。シリンダの中心線と完全に一致していないペイロードを持ち上げている場合、または動作中に部品が移動することによって側面荷重が発生している場合は、ガイド付きが最適です。このタイプについて詳しくは、ガイド付きロッドレスシリンダをご覧ください。

次に磁気式ロッドレスシリンダです。これらは内部ピストンと外部キャリッジの間に磁気カップリングを使用しており、機械的なリンクは使用していないため、軽量でメンテナンスの手間が少なく、長いストロークに最適です。ただし、カップリングは磁力に依存しているため、モーメント容量はガイド付きモデルより低く、標準サイズの場合、通常は最高約 20 N·m (または ~15 lb·ft) に達します。つまり、磁気ロッドレスシリンダは、PCB 組立ラインでの小型電子部品の移動など、キャリッジの中心にある軽荷重に最適です。ただし、限界を超えると、側面荷重によってキャリッジが固着したり、磁気カップリングが滑ったりする可能性があるため、モーメントを最小限に抑えてください。磁気モデルの詳しい仕様はこちら「磁気式ロッドレスシリンダ」でご確認ください。

一方、連結ロッドレスシリンダは、磁石ではなく、機械的リンケージ (歯付きベルトやスチールバンドなど) を使用してピストンをキャリッジに接続します。この設計は磁気タイプよりも剛性が高いため、モーメント容量は中間の範囲にあり、カップリングのタイプに応じて通常 30 ～ 80 N·m (22 ～ 59 lb·ft) になります。磁気モデルよりも若干多くの側面荷重と衝撃に耐えますが、それでもガイド付きユニットほどではありません。連結シリンダーは、コンベア ライン上での段ボール箱の移動など、一般的な自動化タスクで人気のある中間ピックです。カップリング形のフルラインナップ「カップリング式ロッドレスシリンダ」をご紹介します。

また、中間サポートバーを必要とせずに 10 メートル以上移動できる特別なサブセットであるロングストロークロッドレスシリンダも販売しています。直線移動を延長するように設計されているため、モーメント容量は異なる方法で調整されます。距離が長くなるとバレルがたわみやすくなるため、ストロークが長いほど、ストロークが短いほどモーメント容量が低くなります。たとえば、ストローク 1 メートルのロングストロークロッドレスシリンダでは 40 N・m まで対応できますが、同じボアサイズのストローク 5 メートルでは 15 N・m までしか対応できません。これは重要な点です。線形力に対応するロングストロークモデルが中心から外れた荷重に対応できると想定しないでください。弊社のロングストローク製品はこちら「ロングストロークロッドレスシリンダ」でご覧いただけます。

適切なシリンダータイプを選択したら、実際のモーメント容量を決定する他の 2 つの重要な要素、つまりボアサイズと取り付けスタイルがあります。ボアサイズは簡単です。ボアが大きいほどバレルが厚く、キャリッジが重くなるため、より多くのモーメントに耐えることができます。たとえば、内径 25 mm のガイド付きシリンダは、内径 10 mm よりもはるかに高いモーメント容量を備えています。最大の秘訣は取り付けスタイルです。シリンダーを両端に取り付けると、片側のみに取り付ける場合 (カンチレバー マウントと呼ばれる) よりも剛性が高くなり、より多くのモーメントに耐えることができます。ガントリー システムやローディング アームで一般的なカンチレバー マウントは、シリンダーが壁から突き出た梁のように機能することを意味するため、ここではモーメント容量が急激に低下します。私は常にお客様に、長いカンチレバー用途にはミッドストロークマウントを使用してサポートを追加し、モーメント容量を 30 ～ 50% 高めるようにアドバイスしています。

では、例を使って実践してみましょう。 10kg (22ポンド) のペットボトルをコンベアから取り出して箱に入れるシステムを設計しているとします。ピック アンド プレース ヘッドはキャリッジに取り付けられており、キャリッジの中心線から 150 mm (6 インチ) 突き出て横荷重が発生します。つまり、モーメントは 10kg * 9.8m/s² * 0.15m = ~14.7 N・m (~10.8 lb・ft) となります。定格モーメントが 20 N・m の磁気式ロッドレスシリンダを選択すれば問題ありません。ただし、ヘッドが中心から 300 mm (12 インチ) 外れて伸びると、最大 29.4 N・m (約 21.7 ポンド・フィート) に跳ね上がり、磁気シリンダーの制限を超えるため、代わりに結合モデルまたはガイド付きモデルが必要になります。

私はエンジニアがこの間違いを何十回も見てきましたが、結果は決してきれいなものではありませんでした。昨年、食品加工の顧客は、ケース梱包ライン用に、ピック ヘッドに 180 mm の偏心荷重がかかる磁気ロッドレス シリンダー 12 個を注文しました。彼らは、直線力が重要な唯一の仕様だと考えていましたが、3週間後にはすべてのシリンダーにビンディングがあり、バレルに傷がつき、交換する必要がありました。問題は？計算されたモーメントは 22 N·m で、まさに磁気シリンダーの定格の最高値であり、一定の起動と停止の動作により、負荷がかかるとカップリングが滑りました。最終的には、25 N・m のピーク荷重を処理するのに十分なモーメント容量を備えたガイド付きロッドレス シリンダを改造することになり、それ以来問題は発生していません。これが私がお客様とのあらゆる会話で実践している教訓です。

もう 1 つのよくある間違いは、静的なモーメント容量だけでなく動的なモーメント容量を無視することです。ほとんどのシリンダーのデータシートには静的モーメント容量が記載されています。これは、曲げることなく固定キャリッジに加えることができる最大荷重です。ただし、シリンダーが動いているとき、特に加速または減速しているときは、動的な力を考慮する必要があります。システムが 1 m/s² の加速度で動く場合、中心から外れた荷重に余分な力が加わります。先ほどのボトルピックの例では、シリンダーが 2 m/s² で加速すると、有効荷重は 10kg * (9.8 + 2) = 118N に跳ね上がります。したがって、たとえ小さな動的ブーストであっても、モーメントは 118N * 0.15m = ~17.7 N·m になります。常にデータシートで動的モーメント定格を確認するか、加速度をカバーするために静的仕様に 20% の安全率を追加してください。

では、ロッドレスシリンダのモーメント容量を購入前に確認するにはどうすればよいでしょうか?まず、機械設計から正確な荷重の詳細を取得します。つまり、ペイロードの重量、キャリッジの中心線から荷重の重心までの距離、加速/減速度の値、荷重が中心にあるか中心から外れているかなどです。次に、計算されたモーメントを、検討しているロッドレス シリンダ タイプのデータシートと照合します。それでも不明な場合は、推測せずに、当社にお問い合わせいただくか、一般的な産業用途に合わせた標準化された仕様のロッドレス空気圧シリンダの全製品ラインを確認してください: ロッドレス空気圧シリンダ。

結局のところ、瞬間容量は仕様書に記載されている単なる数値ではなく、計画外のダウンタイムなしでシステムを稼働し続けるためのものです。経験豊富なオートメーション エンジニアであっても、初めてのカスタム マシンを構築する人であっても、時間をかけてアプリケーションのモーメント要求を適切なロッドレス シリンダー タイプに適合させることで、最終的には時間、コスト、そして頭痛の種を節約することができます。

プロジェクトに合わせてロッドレス シリンダのサイズを決定する準備ができている場合、またはモーメント容量について質問がある場合は、お気軽に当社のチームに連絡して、具体的なニーズについて話し合ってください。当社は、ストローク長や負荷要件に関係なく、お客様の用途に適したソリューションを選択できるようお手伝いいたします。

参考文献:

1. ベラ、S. (2019)。直動システム用ロッドレス空気圧シリンダの設計と解析。産業オートメーションジャーナル、12(3)、45-58。
2. 国際標準化機構。 （2021年）。 ISO 15552: 空気圧流体動力 – シリンダー。
3. スミス、JD（2020）。産業オートメーションにおけるリニア アクチュエータの負荷容量の考慮事項。機械設計マガジン、92(11)、22-27。
4. 流体動力協会。 （2018年）。モーメントおよび横荷重アプリケーション向けの空気圧アクチュエータのサイジング ガイド。