回転力と推力の関係

Question

三菱電機のギヤードモーター（400ｗ）を使用してタイミングプーリーを使用してボールネジを回転させプレス治具を上下に動かすユニットを設計しようと思います。まず、考えないといけないのは推力として１tくらい必要で且つ、300mmストローク／５secくらいのスピードがほしいのですが、ギヤードモーターという事時点で本仕様は満足できそうにありません。知人からウォームギアで伝達するとスピードも上げれるし高負荷にも耐えれるって話をききましたが検証はしていません。上記速度を満足し且つ推力方向の力を出せる機構を参考までにアドバイス頂けないでしょうか？

Accepted Answer

貴殿の提示仕様では、1000kg×0.06m/sec÷102＝588Wの計算で、588W以上のモーターが
必要です。<運動（加速・減速）性能がある程度必要なら、588×2～3倍>

また、減速機にウォームギアを使用しても、エネルギーの変換効率は少し落ちるだけで
上がりません。因って、NGです。<エネルギー保存の法則より>
推測ですが、ウォームギアは減速比が比較的大きく、出力軸の回転数（スピード）が
下がり、トルク（推力）が上がる事を云っているのではないでしょうか？
しかも、ウォームギアは、ねじと同じで原理で、出力軸から入力軸へ力が伝達されない
事により、下降時のモーター制動力が低いACモーターでも使用が可能（高負荷に耐えれる）
条件も兼ね備えているので、勘違いをしていると思います。

さて、解決策は、バランスシリンダを取付けるです。
一番良いのは、全荷重の１tをバランスするシリンダです。
ボールネジを使用しているので、ねじ効果により制動力は考慮ができているので、500kg
程度でも可です。<但し、上昇時の運動性能は、極端に落ちますが…>
バランスシリンダの原理は、エアバネと同じで、１t の負荷が掛かるシリンダポートに
エアを張り、リリーフ特性の良い精密減圧弁を取付け、負荷１tを無重力状態にする事です。
因みに、無負荷のシリンダポートは開放（ゴミ侵入防止は考慮が必要）です。

SMC等のシリンダメーカーへ、確認して機種選定して下さい。

Answer

参考までに
プレス治具を上下に動かす（可搬重量０～１ｔ）のと
プレス作業で上下に動かす（プレス荷重１ｔ）の話では変わります。
前者であれば滑車とカウンターウエイト500kgを設け
推力－500～500kgにして使います。
後者であればジグ重量を見越してもたいして充てに出来ませんので
やはり推力１ｔはどうしてもクリア出来ません。
ボールネジをやめて、ジグ重量をプレス荷重にプラス出来るのであれば
例えばジグ重量を500kgにするとプレス力として＋500kgあれば１ｔになりますし、上昇時も550kgほどあれば持ち上がります。
プレス時と戻り時でどちらの速度を重視するかで選定が変わります。

Answer

１．モーターサイズを上げる。
２．スプリングでジグ荷重をバランスさせる。
３．モーターに電圧を上げて　電流を流しこむ。扇風機でひやす。

Answer

1000kg(9800N)の力で60mm/s(0.06m/s)の速度を出すということは，
9800×0.06=588W  になって400Wのモータでは達成できません．

Answer

http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=163023&event=QE0004
の回答を参照してください。
私もざっくりと計算しましたが、４００Ｗのモーターでは３６００ｍｍ／ｍｉｎで１００００Ｎの推力は無理です。
また、ギアの種類を変えても動力は変わりません。
ギアードモーター（平歯車またははすば歯車）よりウォームギアのほうが効率が悪いためモーター容量は大きくしなければいけません。
上記でどうしても４００Ｗでなければいけないのでしたらカウンターバランスを使用しなければいけないでしょう。

Answer

機構設計をする前に必要な動力を算出することが基本です。
その後が、機構設計です。汎用モーターの力を推力（直線駆動）変換する方法は、多くの機械要素が提案されておりますが、その効率は大差ないと考えてよいと思います。ギヤードモーターもウォームギヤもそのひとつです。
考慮すべきは、目標とする速度を達成することで、汎用モーターの回転速度（東京；１４６０ｒｐｍ、大阪；１７５０ｒｐｍ）を３００ｍｍ／５秒（６０ｍｍ／秒）を達成する汎用品の組み合わせです。
ギヤードモーターの変速比、タイミングベルト（プーリー）の変速比、ボールネジのリードを組み合わせて６０ｍｍ／秒を達成することが、機構設計です。
ウォームギアはギヤードモーターの役割に相当するわけですから、直線運動に変換する機能は必要です。但し、負荷側から機構部が駆動されてしまうことに関する抗力を、適正な選定をしたウォームギヤに、負担させることは可能です。
昇降機能の役割がもう少しはっきりしないと機構設計は出来ません。
必要な動力は、１馬力（７５０Ｗ）は７５Ｋｇの荷物を１秒で１ｍ持ち上げる力基準にして考えます。（７５Ｋｇｍ＝７５０００Ｋｇｍｍ）
今回のテーマは１０００Ｋｇを１秒で６０ｍｍ持ち上げますので、６００００Ｋｇｍｍで０．８馬力（６００Ｗ）に相当します。４００Ｗではやや力不足のようですが、負荷率を考慮すれば使えないことはなさそうです。

回転力と推力の関係