機器選定 #12：ブレーキとクラッチ — 負荷保持と停電時の安全で選ぶ
先に結論を述べます。停電状態で軸が安全に静止する必要があるならばね作動・電気開放の保持ブレーキを選びます。各停止の制動トルク、慣性、熱エネルギーに応じて動的停止ブレーキを選びます。必ずしもモータを止めずに指令でトルク経路を接・断する必要があるならクラッチを選びます。三つの機器はしばしば「ブレーキモータ」と一括りにされますが、そのタスク、フェイルセーフ状態、熱限界は大きく異なります。吊り負荷、ガード、リフトテーブル、近くに人がいる軸では、負荷保持機構の定義を図面の最後に回してはいけません。
早見比較
| 機器 | 主なタスク | 停電時の一般的な状態 | 選ぶべき事項 | 代表的な用途 |
|---|
| ばね作動保持ブレーキ | 軸を静止保持 | ばねがブレーキを締め、軸が保持される | 保持トルク、エアギャップ、開放時間、サイクル | Z軸、扉、リフトテーブル、ブレーキ付きサーボモータ |
| 動的停止ブレーキ | エネルギーを吸収し減速・停止 | 制御アーキテクチャによる | 制動トルク、慣性、熱エネルギー、停止回数 | 巻取ドラム、回転軸、非常停止のある機械 |
| 電磁・機械クラッチ | トルク伝達を接・断 | 常時接・常時断の形式による | 伝達トルク、接続速度、すべり熱、サイクル | 機構の選択、駆動の接続、包装機 |
| モータ外の機械ブレーキ | 負荷側で保持・停止 | フェイルセーフ設計による | 負荷側のトルク、機構、人の保護 | 重負荷、昇降機構、独自の安全要件を持つ装置 |
モデルを選ぶ前にタスクを正しく呼ぶ
ブレーキはトルク、電圧、寸法で記述できますが、その三つのデータは、それが何の仕事をしているかを語りません。保持ブレーキは、停止した軸を保持します。停止ブレーキは、動いている慣性を減速させ、エネルギーを熱に変えます。クラッチは、駆動源と負荷の間のトルク伝達を接・断します。同じモータ組立が、保持ブレーキと、ドライバ・インバータを通じた動的制動の方法の両方を要することがあります。一方の仕事をよくする要素が、他方に耐えるとは限りません。
状態図から始めます。機械が運転、通常停止、非常停止、停電、空気喪失、安全回路の故障、保守のとき、軸・負荷は何をしてよいか。次に、モータ軸だけでなく負荷で問います。負荷はどの高さにあるか、減速機構はあるか、重力やばね力で漂い得るか、危険域に人はいるか。この図が、フェイルセーフブレーキ、機械ロック、保持弁、その他の独立した解が必要かを決めます。
ばね作動ブレーキ：無励磁で閉じる
ばね作動ブレーキは通常モータ近くに取り付けられます。ばねが摩擦面に締付力を作り保持します。軸が動く必要があるとき、電気コイルが励磁されてブレーキを開放します。「停電で閉じる」アーキテクチャはフェイルセーフのタスクに有用です。制御電源が失われると、ブレーキは負荷を放すのではなく保持状態へ戻ります。KEBはこのブレーキ形式を無励磁で閉じる（closed when currentless）と説明し、無励磁状態で安全な停止を確保する保持ブレーキとして使えるとしています。
それは、すべてのモータ取付ブレーキが完全な安全機構であることを意味しません。保持ブレーキは通常、軸が停止したあとに保持することを主に設計されています。高速や高慣性の軸を毎サイクル制動するのに使うと、摩擦面が過熱し速く摩耗し得ます。メーカーのカタログは、静的トルク、動的制動仕事、停止回数、切替時間、エアギャップ、寿命などの限界を分けます。タスクに応じて正しいデータ集合を読むことが必須です。
垂直軸では、必要な保持トルクをブレーキ位置へ換算します。負荷、ドラム・プーリの半径またはねじのリード、減速比、機構効率、補助的な力が結果に影響します。安全率は、最大負荷、摩擦の変化、取付誤差、承認された安全の方法に基づく必要があります。ブレーキトルクをモータ出力だけから推し量らないこと。モータは小さくても、減速後の吊り負荷は負荷側で相当な保持トルクを生みます。
ブレーキの開放・締結の時間も制御シーケンスに影響します。サーボでは、開放前にドライバがトルクを作り、ブレーキ締結前に制御された減速・保持を行うロジックが必要です。Z軸でモータがトルクを作る前にブレーキを開放すると、負荷は少し落ち得ます。ブレーキが十分締結する前にトルクを切ると、軸も漂い得ます。ブレーキのシーケンスと帰還信号は、メーカーの資料と実負荷条件での試験で確認する必要があります。
停止ブレーキ：熱は設計パラメータ
回転する慣性を制動するにはエネルギーを吸収する必要があります。このエネルギーは、アーキテクチャに応じて、摩擦面、制動抵抗、回生経路で熱に変わります。一回の停止はブレーキをさほど加熱しないかもしれませんが、近接した多数の停止は熱を蓄積します。したがって制動トルクはサイジングの一部にすぎません。停止回数、初速、反映慣性、休止時間、周囲温度が、いずれも判断に入ります。
サーボ系では、ドライバはエネルギーをDCバスへ回生して減速できます。エネルギーがバスの吸収能力を超えると、系はドライバの指針に従い制動抵抗や回生モジュールを要し得ます。インバータ・誘導系では、同様のロジックがインバータ水準で存在します。機械ブレーキは非常停止や保持に使えますが、頻繁に繰り返す減速の方法とは区別します。サイクルあたりの制動仕事を確認せずに「より大きいブレーキ」を選んでも、過熱により失敗し得ます。
回転テーブル、巻取ドラム、ファン、大きなプーリ、減速機を持つ機構のような大慣性の負荷は、制動される軸へ換算する必要があります。回転負荷と並進負荷は、いずれも停止時に相当なエネルギーを生み得ます。停止速度を急にしすぎると、継手、減速機、ベルト、治具に大きな機械的な力も生じます。継手の#11を読めば、ピークトルクと衝撃負荷を継手選定の段階へ持ち込む必要がある理由がわかります。
クラッチ：意図して駆動を接・断するために選ぶ
クラッチは、基本的な意味でブレーキと逆のタスクを行います。回転源を負荷につなぎます。電磁クラッチは信号で接続でき、機械クラッチはカム、摩擦、その他の機構で作動できます。用途は、一つの駆動分岐を選ぶ、一サイクルだけ駆動を接続する、モータがまだ回る必要があるときに負荷を切り離す、割出し機構でブレーキと協調する、などです。
クラッチが接続するとき、両側の速度が異なればすべりと熱の過程があります。伝達トルク、速度、接続回数、接続時間、両側の慣性、すべりエネルギーで選ぶ必要があります。接続速度と頻度を考えずに定常運転トルクだけを比べると、クラッチはしばしば小さすぎに選ばれます。機構が負荷下や反転中に接続する必要があるなら、両側がほぼ同速のときにのみ接続する機構とは、要求が完全に異なり得ます。
クラッチの停電時の状態も明確に記録する必要があります。常時接（normally engaged）か常時断（normally disengaged）か。機構は力を伝え続けるか、電源喪失時に自ら切り離れます。「停電は停止」と決めてかからないこと。モータは慣性でまだ回り、負荷はまだ回り、あるいは駆動経路がクラッチで切り離される、ということがあり得ます。安全回路は、一つのコイルを制御するだけでなく、エネルギーと機構の実際の挙動を制御する必要があります。
モータブレーキと負荷側ブレーキ
ブレーキをモータに置くのは通常簡潔で、サーボと統合しやすいです。減速を通じて、出力での保持トルクは比により増え得ますが、連鎖内の反力・バックラッシは依然として存在します。負荷側にブレーキを置くのは、負荷を直接ロックする必要があるとき、バックラッシの大きい伝達があるとき、安全分析が危険の近くに機械的な層を要求するときに妥当です。各アーキテクチャは、寸法、必要トルク、保守性、伝達部が故障したときの挙動でトレードオフを持ちます。
例えば、ボールねじとブレーキ付きサーボを使うZ軸では、機械連鎖全体とトルクが設計されていれば、モータブレーキはボールねじを通じて負荷を保持できます。しかし、負荷の下に人がいる、非常に大きな負荷、独自の安全規格を持つ用途では、独立した落下防止機構、ロックブロック、カウンタバランス、昇降系メーカーが認証した解を、さらに評価する必要があります。本ブログ記事は機器選定を助けます。権限を持つ者による機械安全評価の代わりにはなりません。
空圧・油圧シリンダでは、「ブレーキ」は別の形を取り得ます。ロック弁、落下防止弁、負荷カウンタバランス弁、ロッドロック、機械ストッパです。安全の観点から、依然として一つの問いに答える必要があります。エネルギーが失われたとき、負荷はどこで、どの要素で保持され、どう試験されたか。アクチュエータの#10は、力と供給状態でアクチュエータを選ぶ方法を示します。
データに基づく選定手順
- タスクを分類する。 停止後の保持、動的停止、トルクの伝達・遮断、または複数タスクの協調か。各タスクを別々に記録する。
- エネルギー喪失の状態を描く。 制御電源の喪失、動力源の喪失、非常停止、保守を、負荷で記述する。
- 負荷を換算する。 負荷トルク、慣性、速度、伝達比、重力、半径、運動方向を、ブレーキ・クラッチの取付位置へ計算する。
- 作動限界を読む。 保持トルクは動的トルクと異なる。停止あたりエネルギーと熱定格は公称トルクと異なる。
- サイクルを確認する。 接続回数、停止回数、その間の時間、周囲温度が、摩擦の寿命に影響する。
- 制御シーケンスを設計する。 モータトルク、ブレーキの開放・締結、あれば帰還、信号が誤ったときのタイムアウト・警報の順序を定義する。
- 安全を確認する。 代表的な負荷で試験し、安全回路をレビューし、特定の区域・危険に対して適用規格を評価する。
四つの典型的な状況
製品をつかむZ軸。 サーボが停電したとき負荷を保持する必要がある。保持トルク、ボールねじ機構、制御シーケンスを確認したあと、モータのばね作動ブレーキが解の一部になり得る。原点センサは保持ブレーキの代わりにならない。
高慣性の回転テーブル。 保持ブレーキは停止後にロックするだけ。減速段階は通常、サーボドライバ・インバータを通じて扱い、エネルギー吸収経路を慣性・停止モードでサイジングする必要がある。その後、系の指針に従い速度が低いまたはゼロのときにブレーキが締結する。
連続運転モータを使う圧入機構。 クラッチは一つの段階でトルクを伝えるために接続し、終わったら切り離せる。すべり熱、接続速度、機械的な停止を確認する。切り離し後に位置を保持する必要があるなら、ブレーキを加える。
保護扉、または落下の危険のある負荷。 あるモータブレーキから推論しないこと。危険分析、負荷の方向、必要なら冗長なロック・負荷保持、定期点検の方法が要る。これが人に対する安全機能であるとき、機械安全設計のチームと適用規格に従って作業する。
よくある選定の失敗
- 保持ブレーキを連続の停止ブレーキとして使う。 カタログがその用途を許さないなら、熱と摩耗が非常に速く増す。
- 換算負荷ではなくモータトルクで選ぶ。 昇降機構、巻取ドラム、減速機で特に危険。
- 停電時の状態を考慮しない。 無励磁のコイルは、設計により締結または開放し得る。推測せずデータシートを読む。
- 誤った順序でトルクを切る。 ブレーキが締結していない、またはモータがまだ負荷を支えていない区間で負荷が漂う。
- 実際のサイクルで試験しない。 試験台での一回の停止は、ブレーキが一運転シフトのエネルギーに耐えることを証明しない。
手早い選定チェックリスト
- [ ] 機器は停止後の保持、運動の制動、トルクの接・断のどれを要するか。三つのタスクを分けたか。
- [ ] 停電時に負荷は自ら保持される必要があるか。要する → ばね作動・フェイルセーフブレーキと適切な安全アーキテクチャを検討。
- [ ] 負荷トルク、慣性、速度、伝達比を、ブレーキ・クラッチの取付位置へ換算したか。
- [ ] 保持トルクだけでなく、動的制動データ、熱エネルギー、停止回数を確認したか。
- [ ] ブレーキの開放・締結シーケンスを、モータトルクと帰還・警報とともに定義したか。
- [ ] 危険な負荷では、安全レビューと、必要な場合の独立した負荷保持の解があるか。
MINATAは機械チームとともに、機構の状態を明確にし、伝達部とブレーキのロジックをBOM確定前にサイジングできます。高リスクの安全項目には、専任の安全レビューを並行して行うことを推奨します。技術・製造チームに相談する。
参考
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