メカトロニクスを支える部品:機械設計の基礎知識7

機械設計の基礎知識

更新日:2018年3月23日(第2版)
著者:関東学院大学 理工学部 機械学系 専任講師 西田 麻美

産業用ロボットやFAシステム機器、工作機械、半導体製造技術など、私たちのライフスタイルを支える技術は大きく変化しています。それを支えているのが、メカトロニクス技術です。機械・電気・ソフトウェアを融合したメカトロニクス技術は、機械設計には欠かせません。今回は、メカトロニクスの基礎技術要素であるメカニズム、アクチュエータ、センサ、エレクトロニクス、コントロール(制御)の説明をします。

図1: さまざまな産業で応用されているメカトロニクス

図1:さまざまな産業で応用されているメカトロニクス

1. メカニズム

メカニズムとは、機構が動く仕組み(からくり)です。回転運動を往復運動に変換する代表的な機構、クランク機構を例に見てみましょう(図2)。

図2:クランク機構の概略図

図2:クランク機構の概略図

クランク機構は、クランクとスライダを連接棒(コネクティング・ロッド)で結合した構成になっています。これを実現するには、以下のような項目を具体的に検討します。

  • それぞれの要素が、どのように関係して動くのか
  • 自由度はどれくらいか
  • モータの出力(トルク、回転数、慣性モーメントなど)は、どの程度必要か
  • 回転運動による摩擦や振動は、強度や性能に影響しないか
  • ガイドの位置決め精度・組立精度や、スライダの移動範囲はどの程度必要か
  • コストはいくらか

メカニズムを考える際には、簡単な絵を描きながら必要な項目を考えていくと、イメージが湧きやすく、他の人との共有も容易です。

2. アクチュエータ

アクチュエータは、入力されたエネルギーを機械的なエネルギーへと変換する駆動装置です。電気・空気・油などのエネルギーを、入力エネルギーとしてメカニズム側へ出力します。電気エネルギーを利用する代表例がモータです。制御性に優れることから、さまざまな機械に利用されています。エアーシリンダや油圧アクチュエータは空気や油のエネルギーを利用します。

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3. センサ

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4. エレクトロニクス

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5. コントロール

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