ACサーボモーターと歯形ベルト駆動の振動

質問者さんへ
・土曜日の昼休みにご投稿
・「すぐに回答を」表示
されていらしゃるので、回答者からの情報提供にはできるだけ速やかに
応じてください。でないと、このスレッドが有れる原因になります。


さて、回答(1)さんへのご返答を待つ間に、多少のアドバイスをいたします。
手材料から、電機系ではなく機械系の問題と思われるので、雑多に箇条書
きします。

　・兎に角振動の主発生源の特定が第一歩です
　・ベルトを外してモータ軸だけで回してみる
　　モータとモータ軸プーリはどのように結合していますか？
　　モータ軸とプーリの同心度は如何ですか？ガタは有りませんか？
　・ベルトのテンションを少しずつ強めながら回してみる
　　振動に変化はありますか？
　　モータ軸とワーク軸のアライメントはキチンと精度がよく組み付け
　　られるような構造になっていますか？
　　ワーク軸とプーリーの同心度は如何ですか？ガタは有りませんか？
　　テンションを強くすると、振動が大きくなりますか？また、モータ
　　の負荷が異常に高くなりませんか？
　・振動/騒音の度合いを確認
　　小生の経験と拙い経験では、タイミングベルトを2,000min-1で
　　用いると、噛み合いに起因する高周波の騒音が大きくなると思わ
　　れますが如何でしょうか？
　　軸間距離が長くベルトがばたつくような感じが有りますか？
　　ブラケットが弱くモータ後部が激しい振動が生じていませんか？
　・１：１に起因する問題
　　2,000min-1とそれほど高い回転速度ではありませんが、ベルトは
　　１：１で用いることは避けたいです。ブーリの径が少しでも違うと、
　　その差分を周期とするうなりと振動が発生します。
　　例えば、モータ軸プーリがφ100.1、ワーク軸プーリがφ100,0と
　　して、モータ回転速度が2,000min-1の場合、プーリ軸は2,002min-1
　　となります。すると１分間に回転速度差分の2回の周期のうなりと
　　振動が発生します。
　・プーリはメーカ購入品ですか？自社または外注製作品ですか？
　　購入品でない場合は歯部の精度チェックも必要です。


もしベルトに起因する問題と疑われ、ご使用のベルトが例えばバンドー
化学さんや三ツ星ベルトさんのような大手であれば、先ずはメーカへ
ご相談することが手っ取り早いです。
餅屋は餅屋、豊富な経験に基づき、アドバイスして貰えます。

　　　

誤記訂正

誤）回答者からの情報提供
正）回答者からの補足要求（＝情報提供要請）

一所懸命回答したつもりだが、読み直したらある方に文体が
似ているように感じた...自己反省

土曜日の時点から、緻密な検証頑張っていますね。
今一つ構造が理解できていないのですが

>モータ軸とプーリの同心度は如何ですか？ガタは有りませんか？
>→モーター軸側が±0.03mm/r プーリー側がも同様です。（手動確認）
>　500rpmだと同等の精度、2000rpmだと±0.15mm/rまで悪化します。

回転機構としては精度が少なくとも一桁は悪く由々しき問題です。
2,000min-1時はどのように測定したのでしょうか？
（非接触センサ？）


>・ベルトのテンションを少しずつ強めながら回してみる
>→アライメント機構を追加しましたが、ベルトがセンターに留まらず回転
>方向によりどちらかへ移動してしまいます

これも良くないですね。


>　・振動/騒音の度合いを確認
>→同様に高周波の騒音が発生します。

やはりタイミングベルトで2,000min-1の使用は厳しいと思われます。
ベルトメーカ(バンドー化学or三星ベルトがお勧め)にご相談することを
お奨めします。


>駆動側：受動側＝１：２にした場合、ワーク側はより安定する方向に
>なりますか？

整数倍はやはり同様の問題発生の懸念が有ります。減速比２：３とか
３：５とかにできませんか？


>プーリーのバランスを取る方法はありますでしょうか？

フィールドバランサーなる装置があれば、機械をばらさなくてもアンバラ
ンス量を測定できます。ただしベルト掛け機構の場合、どうしても軸が
テンションにより多少弾性変形しながら回転するので、キチンとした測定
ができない可能性が有ります。
プーリが購入品であれば、プーリメーカに依頼すること一案です。
但し、僅か2,000min-1程度で振動に影響を及ぼすほどアンバランスの
プーリが市販されているとは考えにくく、上記の振れの問題と考えます。


もうひと踏ん張り頑張ってください！

回答(1)さんへの追記を拝見いたしましたが、軸間距離が長いですね。
途中にアイドラーを追加できませんか？

>まずモーターとブラケットとプーリーを組付けし、2000min-1で測定し
>ました。それで振動した為、プーリーのバランスを疑いました。

バランスよりもモータとプーリの結合剛性もしくは心ズレが疑がわれます。
モーター軸側が±0.03mm/rとのことですが、0.01以内になりませんか？


>軽量化してみると効果はあるのでしょうか

効果は有ると思いますが、とにかく上記の改善が先決と考えます。

毎日の対応の速さに脱帽です。
色々と問題点があぶりだされ大変でしょうが、良い経験を
詰まれたと思います。頑張ってください。
軸の偏心修正で、かなり改善されると期待します。

お礼

2015/01/26 10:56

早急な回答を頂きありがとうございます。
返答するのが遅れましたこと大変申し訳ありません。
非常に丁寧なアドバイス頂きましたので、チェックしているところです。

＞兎に角振動の主発生源の特定が第一歩です
＞ベルトを外してモータ軸だけで回してみる
　　モータとモータ軸プーリはどのように結合していますか？
→モーターとプーリーはメカロックで結合しています。モーター単体では問題なく、プーリーをつけるとバランスが崩れているため、バランスレスのメカロックを使用しています。

　　モータ軸とプーリの同心度は如何ですか？ガタは有りませんか？
→モーター軸側が±0.03mm/r プーリー側がも同様です。（手動確認）
　500rpmだと同等の精度、2000rpmだと±0.15mm/rまで悪化します。

　・ベルトのテンションを少しずつ強めながら回してみる
→アライメント機構を追加しましたが、ベルトがセンターに留まらず回転方向によりどちらかへ移動してしまいます。ベルトテンションを変更しても移動します。精度がでていないのでしょうか？（今回は接触で振動するのでベルトのツバを外しています。）アライメントは微調整どころかかなり時間のかかる作業になってしまい、組立側からすると問題のある状況です。

　・振動/騒音の度合いを確認
→同様に高周波の騒音が発生します。テンションを緩めると振動が少し収まりますが、ベルトがばたつく状態になります。モーターのブラケットをシャコマンで固定しても状況は変わりませんでした。

　・１：１に起因する問題
　　2,000min-1とそれほど高い回転速度ではありませんが、ベルトは
　　１：１で用いることは避けたいです。ブーリの径が少しでも違うと、
　　その差分を周期とするうなりと振動が発生します。
→プーリーはメーカー購入品です。寸法違いで振動発生する要因があるのですね。勉強になりました。モーター側：軸受け　１：２を検討してみます。またプーリーも測定してみます。

時間がかかり申し訳ありませんが、ひとつづつ確認していきたいと存じます。

回答ありがとうございます。
若干ですが改善しましたのでご報告致します。

問題のあったシャフトの内径を追加工にて0.01公差以内に調整しました。
軸受けを分解し点検と修正をした結果、軸精度をピック測定で±0.01mm/r以内に調整できました。振動で若干軸受けが痩せていた為、はめ込みを微調しました。次回設計時には、材料と公差を見直すことにします。

架台強化（板厚を増加）をして2000min-1で振動を測定したところ、X-Y-Z軸とも半減しました。みなさまのご指摘通り、剛性不足も1つの要因でした。
さらに、回転による応力の方向（X軸側）を補強したところより改善しました。

残りのモーター軸の精度、プーリー精度＆バランス、径の変更、ベルト長などを追い込んでより振動を軽減できるよう検討しているところです。

質問者

補足

2015/01/26 20:28

架台強化にて改善はありましたが、ベルトとプーリーについて見直してみました。

?ベルトのデータを元にテンションを計算して、テンションメーターで再調整
?プーリー寸法0.1mm位の誤差あり。
　（質問）駆動側：受動側＝１：２にした場合、ワーク側はより安定する方向になりますか？
?軸受けのガタはありません。軸のアライメントは取れてると思います。
　（質問）プーリーのバランスを取る方法はありますでしょうか？

よろしくお願い致します。

お世話になっております。
アドバイスありがとうございます。

＞回転機構としては精度が少なくとも一桁は悪く由々しき問題です。
2,000min-1時はどのように測定したのでしょうか？
（非接触センサ？）

軸の精度はピックを当て測定しました。
組付け時に振動した為、まずモーターとブラケットとプーリーを組付けし、2000min-1で測定しました。それで振動した為、プーリーのバランスを疑いました。バランスの件は、メーカーに確認してみます。
（質問）重さは0.8kgですが、軽量化してみると効果はあるのでしょうか？

ベルトアライメント位置は、回転させながらモーターブラケットを微調整することでほぼセンターに調整できました。しかし設計的には再検討する必要があります。

＞整数倍はやはり同様の問題発生の懸念が有ります。減速比２：３とか
３：５とかにできませんか？

受動側のプーリーを大きくできるなら、試してみます。
減速比について勉強不足でその発想がありませんでした。
軸間距離も短い方がいいので再検討してみます。

アドバイスありがとうございます。

モーターの軸精度が変わらない為、プーリーをつけた時に同等になるように再調整してみました。メカロックの締め具合で変化していました。しかし、手動回転で±0.03mm/rが精一杯でした。2000min-1だとプーリーの振れが大きくなってしまします。モーター軸に問題がないかメーカーに問い合わせしています。

軸受け側にも問題がありました。
軸の外径がφ42mm、内径がφ32mmなのですが、測定すると内径が偏芯していて肉厚に0.8mm誤差があることに気づきました。加工時に内径で部品を選定して、外径だけ加工したため偏芯ことに気づきませんでした。内径を再加工に出すことにしました。

プーリー径選定も含めて見直してみます。

質問者