ロボットとコボットサーボモーター用精密ラミネーションスタック

ロボットアームがプリント基板にチップを配置するのを見たり、コボットが人間に部品をそっと渡すのを見たりするとき、あなたは実際には、非常に薄い鋼板の積み重ねが自分の仕事を完璧にこなしているのを見ているのだ。

これらのシートは サーボモーター内部の積層スタック - あなたのロボットがそう感じるかどうかは、静かに判断してほしい。 シルキーで安全 または ギクシャクとうるさいコボットジョイントが10年クールに動くか、3年で自炊するかどうか。しかし、ロボット工学やコボットに関する議論のほとんどは、それについてほとんど触れていない。

この記事では、ラミネーション・スタックの扱いについて説明する。 ファーストクラスデザインレバー ロボット工学やコボットでは、プロジェクトの最後に注文する商品ではない。

• 次のセクションで、あなたは見るだろう：
  • サーボモーターとラミネーションスタックが、コボットの精度、安全性、「感触」にどう直結するか
  • どれ 材質、厚さ、接合方法 重要
  • ジオメトリーのトリック スキュースタックとスロットレスデザイン コギングトルクとノイズを抑える
  • スタック技術の選び方 産業用ロボットとコボット
  • 実践的な チェックリスト 次回のラミネーション・スタックにご利用ください。

1.サーボモーター、ロボット工学、コボット：ラミネーションが突然重要になる理由

サーボモーターはロボット工学の筋繊維のようなもので、コンパクトで高トルク、フィードバックセンサーによって常に監視され、正確な位置と速度を実現します。エンコーダーやレゾルバでループを閉じ、指令された位置と実際の位置を比較し、リアルタイムで補正します。そのため、ロボット、CNC機械、オートメーションラインで圧倒的なシェアを誇っています。

産業用ロボットの場合、その概要は通常シンプルだ： 高トルク密度、スピード、アップタイム.しかし、コボットは余計な制約を加える： バックドライバビリティ、低コギング、低騒音、固有の安全性 人間がぶつかっても。これらの "ソフト "な属性は、コントロール・ソフトウェアだけでなく、磁気コア（ラミネーション・スタック）の内部で起こっていることに深く影響される。

• ロボットでもコボットでも、ラミネーション・スタックが影響する：
  • トルク密度と効率（1キログラムあたりどれだけのトルクを絞り出すか）
  • 低速域での滑らかさ（コギングトルク、トルクリップル、「フィール）
  • 熱挙動と寿命（コアロス、ホットスポット分布）
  • 騒音と振動（NVH） - 特に人間周辺では重要
  • コボットにおけるバックドライバビリティやコンプライアンス行動などの安全特性

2.ラミネーションスタック内部：薄い鋼板、大きな結果

ほとんどの高性能サーボモーターは、依然として 電気鋼 積層低炭素鉄に0.5～6.5%のシリコンを合金化したもので、高透磁率と低コアロスのために選ばれている。 これらのシートは通常 0.1-1.0 mm 渦電流を遮断するため、絶縁材を挟んで積み重ねる。

シートが薄いということは 低渦電流損失 これは、サーボ・ドライブがPWM周波数を高め、ロボット・ジョイントが極数と速度を高めるにつれて、ますます大きな問題となる。同時に、薄型化はコストと製造の複雑さを押し上げるため、本格的なラミネーション・サプライヤーはプレス金型、バリ、コーティングにこだわる。

ロボット＆コボットサーボモーターの主要ラミネーションパラメーター

• ロボット設計者としては、ラミネーション設計を3つの連動したダイヤルと考えてほしい：
  • 材料システム - どのグレードの電磁鋼板（または代替鋼板）を選択するか
  • 幾何学 - 歯の形状、スロットとポールの組み合わせ、スキュー、スタックの高さ
  • 組み立て品質 - 接合方法、バリ制御、アライメント精度

3.接合方法：スタックをどのようにつなぎ合わせるかで、コボットの "感覚 "が変わる。

何百枚もの薄いシートが魔法のようにくっつくわけではない。以下のような方法で接合される。 接着剤による接着、自己融着（バックラック）、機械的インターロック、リベット／ボルト、クリート、溶接.

研究結果は、常に綱引きをしていることを示している。 機械的強度 しかし、そのようなことは避けたい。 磁気性能の低下 絶縁体にダメージを与えたり、残留応力や歪みをもたらしたりする。接着剤による接合は、低いコア損失と良好な絶縁性を維持する傾向がありますが、溶接や積極的な機械的インターロックは、注意深く管理しないと損失やノイズを増加させる可能性があります。

接合方法とサーボラミネーションスタックへの影響

• 特にコボットについては、 接着または自己接着スタック が魅力的な理由である：
  • 渦電流による損失を低減し、熱とドリフトを抑える。
  • ロボットが人間のそばで作業する際に重要な、振動や騒音を和らげる。
  • トルク定数をよりリニアに保ち、力の推定と制御を単純化する。

4.スタック内の形状：コギング、リップル、ノイズとの戦い

もし、あなたのロボットのジョイントが、手でバックドライブしたときに「ノッチっぽい」と感じるのであれば、あなたは次のようなことを感じているはずだ。 コギングトルク - 永久磁石とステーターのティースやラミネーションとの相互作用から生じる寄生トルク。

デザイナーたちは、次のような方法を駆使してこれに対抗している。 電磁設計とラミネーション形状スロットとポールの組み合わせの調整、マグネットの形状の変更、歯先の形状の変更、ラミネーションスタックのスキューなどです。A 斜めのローターまたはステーター 軸に沿ってラミネーションをわずかにねじり、スロット高調波がスタック長に沿って「平均化」されるようにすることで、トルク定数と効率にわずかな影響しか与えずに、コギングトルクとトルクリップルを大幅に低減します。

• ロボット工学とコボットには、ラミネーションレベルのジオメトリーレバーが含まれる：
  • 斜めのローター/ステータースタック - コギング、トルクリップル、アコースティックノイズを低減し、特に低速の「クリープ」移動や人の近くで作業するコボットにとって重要です。
  • スロットレスまたはトゥースレス・ステーター設計 - 歯のないリング状のラミネートコアを使用することで、コギングをほとんどなくし、ハイエンドのトルク感知ジョイントに役立ちます。
  • 最適化されたスロットとポールの組み合わせ - 対称性を崩し、高調波を拡散させる分数スロット設計
  • 歯先の整形とノッチング - 特定の負荷範囲における飽和とトルクリップルを低減するためのローカル微調整
  • 口径とID/OD比 - 特に、ギアボックスやセンサーがローターの内側にあるフレームレス・モーターでは。

5.産業用ロボットとコボット：ラミネーションの優先順位の違い

フェンスで囲まれたセル内で火花を散らす産業用溶接ロボットと、人間の隣で電子機器を組み立てるコボットとでは、リスクプロファイルが大きく異なる。しかし、どちらの内部でも、ラミネーション・スタックは依然として、トルク、滑らかさ、作業可能な熱エンベロープを定義している。

について 産業用ロボットラミネーションの設計は、次のことを優先する傾向がある。 トルク密度、効率、コスト特に大容量では。コギングトルクが多少高くても、ギアボックス、剛性の高い構造、巧みな制御ループが多くを隠してくれるため、許容できることが多い。

について コボットと外骨格システムバックドライバビリティと低見かけインピーダンスが鍵となる。高トルク密度のジョイント・モーターは、低ギア比または準ダイレクト・ドライブ・アーキテクチャと組み合わされることが多い、 コギングと摩擦のすべてが、人間が物理的に感じるものに増幅される.

• ラミネーション・スタックを設計する際には、2つのクラスを異なるものとして扱う：
  • 産業用ロボットジョイント
    • コスト削減とスループット向上のためなら、インターロックや溶接スタックも可能
    • 完璧ではないが良好なコギング性能を目指す；ドライブとギアボックスは不完全さを隠すのに役立つ
    • 温度限界は、人間の快適さではなく、デューティサイクルと周囲環境によって設定されることが多い
  • コボットと人間対話型ロボット
    • ボンド/セルフボンドスタックとスキューラミネーションにより、超スムーズなトルクを実現
    • 損失と温度ドリフトを低減するため、より薄いラミネーションと優れたコーティングを推進
    • バックドライブ時の音響特性と触感にこだわる

6.製造の現実：公差がロボットの挙動にどのように現れるか

紙の上では、ラミネーション・スタックは完璧な形状のスタックに過ぎません。工場の現場では、バリの高さ、コーティングの堅牢さ、シャフトのフィット感といった細部が、モーターに実際の個性を与えます。

高速順送プレスとラピッドスタンピングプレスは、ラミネーション生産の主力であり、1つの金型につき数百万回のヒットが可能です。正しく行えば、厳しい公差と高い積層係数が得られますが、不注意に行えば、バリが絶縁体に突き刺さり、層間損失と可聴ノイズを増加させます。多くのサプライヤーは、スタンピングを次のような方法で補完しています。 レーザー切断、シングルノッチ、ロータリーノッチ プロトタイプや大口径の場合は、インターロック、接着、またはインライン溶接によってスタックを組み立てる。

その上、CMMチェック、ビジョンシステム、鉄損試験機、フランクリン層間抵抗試験などの検査は、シミュレーションしたモーターが実際に入手したモーターであることを確認するために非常に重要です。

• ロボットとコボットの性能に強く影響する製造上の選択：
  • バリ・コントロール - 下バリがコーティングを保護し、コアの損失とノイズを抑える
  • コーティングの選択と塗布 - 頑丈で均一な絶縁により、モータの寿命期間中、低損失と安定したスキューを維持
  • 積層および接合プロセスの安定性 - 圧力、温度、アライメントを一定に保つことで、バックドライバビリティとコギング挙動をバッチ間で一定に保つ。
  • シャフトとスタックの接続 (精密形状の穴、プレスフィット、インサートなど） - 振れ、振動、接合部の長期信頼性に影響する。

7.古典的なラミネーションを超えて：SMC、アキシャルフラックス、未来のロボットジョイント

スチールを積み重ねた電気鋼板が依然として主流である一方で、次のような方向への追い風が強まっている。 軟磁性複合材料（SMC） や軸方向磁束アーキテクチャを、電気自動車やロボットなどの高性能ドライブに使用することができます。SMCは、3D形状にプレスされた絶縁鉄粉を使用しており、従来のラミネーションと比較して、真に3次元的な磁束経路と簡素化された組み立てでモーターを設計することが可能です。

ロボット工学とコボットにとって、それは次の扉を開くことになる。 パンケーキのような平らな関節また、単純な積層シートでは困難または不可能な、統合された冷却経路やトポロジーも可能です。しかし、SMCは、材料コスト、達成可能な磁束密度、プロセスの成熟度という点で独自のトレードオフをもたらすため、多くの設計は、当分の間、注意深く最適化された積層スタックに依存し続けるだろう。

• もし限界に挑戦するのであれば、考えてみてほしい：
  • ハイブリッド・コア - アクティブ領域での古典的なラミネーションと、3Dパスが役立つSMCまたは機械加工されたフラックスガイドの組み合わせ
  • 軸流サーボ設計 - 入念に打ち抜かれた軸方向ラミネーションまたはSMCコアにより、短い軸方向長さで高いトルク密度を実現。
  • 先端コーティングとアモルファス合金 - コアロスをさらに削減し、タイトにパッケージされた腕の関節温度を低く保つために

8.実践的チェックリスト：次のロボットまたはコボットのラミネーションスタックを設計する

この時点で、圧倒されそうになるのは簡単だ。そのような状況を打破するために、以下はその一例である。 人間レベルの設計チェックリスト 次回、ロボット関節のラミネーション・スタックを指定する際に、この方法を使うことができる。

• 1.データシートではなく、対話から始める。
  • と尋ねている： この関節を人間が押すと、どのような感じがするはずだろうか？ これは、コギングトルク、騒音、バックドライバビリティにどれだけ積極的に取り組まなければならないかを物語っている。
• 2.損失と温度バジェットを明確に定義する。
  • 駆動周波数とデューティ・サイクルから、コア・ロス対銅損を概算してください。それをもとに、ラミネーションの厚さとスチール・グレードを決めてください。
• 3.自分の「フィーリング」目標に合った接合方法を選ぶ。
  • コボットと精密軸：自己融着または接着スタックに傾く。
  • 重工業用継ぎ手：インターロックまたは溶接は、テストされれば許容される場合がある。
• 4.スキューをするかどうかを早めに決める。
  • スキューは、金型の選択と積層工程の変更が必要です。プロトタイプを作った後ではなく、ラミネーション仕様の段階で決めましょう。
• 5.空想の公差ではなく、製造可能な公差に固定する。
  • ラミネーション・サプライヤーと協力して、金型能力、バリ限界、コーティング・システムをお客様の性能モデルに適合させます。
• 6.プロトタイプ リアル 接合とスタッキング工程。
  • レーザーカットされ、ボルトで固定されたプロトタイプは、インターロックまたは接着されたスタックとは異なる挙動を示します。最終工程に近いもので検証してください。
• 7.人間が何を感じるかを測る。
  • 効率を測定するだけでなく、コギングトルク、トルクリップル、バックドライブトルク、音響スペクトルをプロットしてください。これは、オペレーターとエンドユーザーが実際に経験することです。

ラミネーション・スタックを 戦略的要素 よりスムーズに、より静かに、より予測しやすく、より安全に。

そして今度、誰かがあなたのコボットジョイントの「自然な」感触を絶賛したら、それは非常に薄く、非常に注意深く接合された鋼鉄片の山から始まったことがわかるだろう。