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回転テーブルの駆動(割出し)の計算

割出しの角度と位置決めの時間・加速時間から、テーブルの最高回転数と角加速度を求め、テーブルとワークの慣性モーメントから加速トルクと必要なトルク(減速機の出力軸)を求めます。使えるトルクを入れると判定します。

入力

lD_T t₁Nt₀
求めたいもの

割出しの条件から、最高回転数と必要なトルクを求めます。

1 回の位置決めで回す角度。等分の割出しなら 360° ÷ 割出しの数。例:36°(10 等分)

止まった状態から次に止まるまでの時間(加速・等速・減速の合計。止まっている時間は含まない)。例:0.25 s

台形:加速時間を入れます(加速と減速は同じ時間)。三角形:加速時間を位置決めの時間の半分とし、等速の区間がありません(最高回転数が台形より高くなります)。

止まった状態から最高回転数までの時間。減速も同じ時間とします。位置決めの時間の半分以下。出典は位置決めの時間の 25 % 程度を適当としています(出典の例は 0.25 s に対して 0.1 s)。例:0.1 s

慣性モーメントを直接入れるか、円板のテーブルと、その上の円柱のワーク(同じものが同じ半径に並ぶ)から求めるかを選びます。

テーブルの軸まわりで回るものすべての慣性モーメント(テーブル・ワーク・治具など)。形から求めるときは慣性モーメントの計算も使えます。例:2.66 × 10⁻² kg·m²

円板のテーブルの外径。例:300 mm

例:5 mm

材料の資料の値。出典の例:アルミ 2.8 × 10³ kg/m³。

テーブルに載る同じワークの数。ワークがないときは 0。例:10

円柱のワークの直径(軸はテーブルの軸と平行)。例:40 mm

例:30 mm

例:アルミ 2.8 × 10³ kg/m³

例:120 mm

モーターの回転数 ÷ テーブルの回転数。直結なら 1。例:10

一定の速さで回すときに要るトルク(軸受・シールの摩擦など)。出典の例のように摩擦を見ないときは 0。例:0 N·m

選ぶモーターのロータの慣性モーメント。減速比の 2 乗を掛けて加速トルクに足し、慣性モーメントの比も出します。使えるトルクと比べるときは必須。例:270 × 10⁻⁷ kg·m²

必要なトルクに掛ける安全率。モーターの種類ごとにメーカーの資料の値を入れます(出典の例:2)。

最高回転数での、ギヤードモーター(または直結のモーター)の出力軸の使えるトルク。入れると判定します(ロータの慣性モーメントも入れます)。

結果

計算すると、ここに結果を図で示します。

入力すると、ここに結果が出ます。

参考

  • University Physics Volume 1「10.7 Newton's Second Law for Rotation」・OpenStax(ライス大学)・回転の運動方程式 Στ = Iα・資料を開く
    加速トルクの基礎の式だけで、割出しの運転パターンは載っていません。
  • General Catalogue 2017/2018 Technical Reference — Selection Calculations Motors(英語)・Oriental Motor(米国)・H-4・H-5・H-13・H-14(インデックスの例)・資料を開く

参考先は MechOwl が独自に選んだもので、参考先が推奨・保証するものではありません。

解説

割出しテーブルは、決めた角度を決めた時間で回して止めることを繰り返します。位置決めの時間が短いほど、最高回転数と角加速度が大きくなり、加速トルク(慣性モーメント × 角加速度)が大きくなります。同じ位置決めの時間で加速時間を短くすると、最高回転数は下がりますが角加速度は大きくなります。テーブルは慣性モーメントが大きいので、ほとんどの場合、必要なトルクは加速トルクで決まります。

使い方

割出しの角度・位置決めの時間・速さの形(台形なら加速時間)を入れ、負荷の慣性モーメントを入れるか、テーブルとワークの寸法と密度を入れます。減速比と負荷トルク(摩擦を見ないなら 0)を入れます。ロータの慣性モーメントと使えるトルク(出力軸)を入れると判定します。

例題(手計算)

  1. 例題 1:出典の例:アルミの円板 ø300 × 5・ワーク ø40 × 30 を 10 個(120 mm)・36° を 0.25 s・加速 0.1 s・減速比 10・ロータ 270 × 10⁻⁷・安全率 2

    ω = 36° ÷ (0.25 − 0.1) s = 0.6283 rad / 0.15 s = 4.189 rad/s(40.00 r/min、モーター 400 r/min)。J_T = π/32 × 2,800 × 0.005 × 0.3⁴ = 1.113 × 10⁻² kg·m²。ワーク 1 個:J = π/32 × 2,800 × 0.03 × 0.04⁴ = 2.111 × 10⁻⁵、m = π/4 × 2,800 × 0.03 × 0.04² = 0.1056 kg。J_W = 10 × (2.111 × 10⁻⁵ + 0.1056 × 0.12²) = 1.541 × 10⁻² kg·m²。J_L = 2.654 × 10⁻² kg·m²。角加速度 = 4.189 / 0.1 = 41.89 rad/s²。T_a = (270 × 10⁻⁷ × 10² + 2.654 × 10⁻²) × 41.89 = 1.225 N·m。T_M = (0 + 1.225) × 2 = 2.450 N·m。慣性モーメントの比 = 2.654 × 10⁻² / 2.7 × 10⁻³ = 9.831。

  2. 例題 2:三角形:90° を 0.5 s・J_L 0.05・直結・ロータ 1 × 10⁻⁴・負荷トルク 0.5・使えるトルク 1.5 N·m(不足)

    入力は自前の例(出典の例ではない)。三角形なので t₁ = 0.5/2 = 0.25 s。ω = (π/2) / (0.5 − 0.25) = 6.283 rad/s(60.00 r/min)。角加速度 = 6.283 / 0.25 = 25.13 rad/s²。T_a = (1 × 10⁻⁴ + 0.05) × 25.13 = 1.259 N·m。T_M = 0.5 + 1.259 = 1.759 N·m > 1.5 N·m で「入力条件内で不足」。比 = 0.05 / 1 × 10⁻⁴ = 500。

  3. 例題 3:台形で加速時間がちょうど位置決めの時間の半分(三角形と同じ):180° を 1 s・加速 0.5 s・J_L 0.1・減速比 5・ロータ 1 × 10⁻⁴・負荷トルク 0.2・安全率 1.5

    入力は自前の例。加速時間 0.5 s = 1 s の半分は、等速の区間がない三角形と同じで、使える上限ちょうど(含む)。ω = π / (1 − 0.5) = 6.283 rad/s(60.00 r/min、モーター 300 r/min)。角加速度 = 12.57 rad/s²。T_a = (1 × 10⁻⁴ × 25 + 0.1) × 12.57 = 1.288 N·m。T_M = (0.2 + 1.288) × 1.5 = 2.232 N·m。比 = 0.1 / 2.5 × 10⁻³ = 40。

  4. 例題 4:加速時間 0.3 s > 位置決めの時間 0.5 s の半分(入力エラー)

    加速と減速で 0.3 × 2 = 0.6 s > 0.5 s。決めた時間の中に加速と減速が入らず、運転のパターンとして成り立たない。入力エラー(判定の語は出さない)。

  5. 例題 5:減速比 0.5(増速、適用範囲外)

    減速比 0.5(増速)は機構として成り立つが、このページは減速(減速比 1 以上)だけを扱うので「適用範囲外」(結果は出さず理由を出す)。

よくある間違い

  • 位置決めの時間にサイクルタイムを入れる:止まっている時間(加工・搬入)は含みません。
  • ワークの慣性をテーブルの軸のまわりに移さない:ワーク自身の慣性に 質量 × 距離² を足します(距離が大きいとこちらが大部分になります)。
  • 加速時間を短くすれば楽になると考える:同じ位置決めの時間で加速時間を位置決めの時間の 25 % から 10 % にすると、最高回転数は約 0.83 倍に下がりますが、角加速度は約 2.1 倍になり、加速トルクも約 2.1 倍になります。

よくある質問

三角形と台形のどちらがよいか。
同じ位置決めの時間なら、三角形は角加速度が最も小さく、最高回転数が高くなります。モーターの回転数とトルクの特性で確かめて選びます。
カム式のインデックスユニットは。
カム曲線ごとに最大の角加速度の係数が違います。このページは台形・三角形だけです。メーカーの選定の資料で確かめてください。

適用範囲

台形・三角形の運転のパターンで割出す回転テーブルの、最高回転数・加速トルク・必要なトルク(減速機の出力軸)と慣性モーメントの比。

この計算で扱わないこと:

  • カム曲線・S 字の加減速、カム式のインデックスユニット
  • モーター軸のトルク(減速機の効率)・実効トルク・回生・止まった後の整定
  • 増速(減速比 1 未満)

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