機器選定 #20：真空パッド — ワーク表面と重量で選ぶ
真空パッドは、実際のワークから始めて選びます。表面は気密か、重量はいくらで重心はどこか、運動はどれだけの横力・モーメントを作るか、機械は真空しきい値に達するまでどれだけ時間があるか。その後で初めて、パッド形状、材質、直径、パッド数、バッファ、真空源、確認センサを選びます。理論吸着力は参照のための計算段階です。最終判断は、ワークで、サイクルで、実際の表面条件で試験する必要があります。
早見比較
| パッド形式・解 | 適するとき | よく確認すべき点 | 覚えておく限界 |
|---|
| 平パッド | 平ら、硬い、気密な表面 | シール性、直径、横力 | 高さ差や反りの補償が難しい |
| リブ・溝付きパッド | 凹凸のある表面、接触安定を増やす | 跡、摩擦、向き | 力・モーメントの確認の代わりにならない |
| ベローズパッド | 高さが変わる、わずかに曲がる表面、行程補償が要る | ベローズ行程、加速時の安定性 | 横力・モーメントに対し柔らかくなり得る |
| オーバル・長パッド | 長方形、細長いワーク | 重心位置、向き | ワーク縁に大きなモーメントを作るのを避ける |
| スポンジ・フォーム、専用パッド | 粗い、段ボール、不均一な表面、跡の付きやすい物 | 空気漏れ、粉塵、耐久、実試験 | 需要流量が高い、寿命が環境で変わる |
カップ径ではなくワークから始める
真空パッドは、パッドのリップが表面にシールするときにのみ良い力を作ります。したがって最初の仕様はワークのデータです。材質、寸法、最小・最大の重量、平面度、曲率、穴、リブ、油、粉塵、多孔性、温度、仕上げ、残してよい跡です。ワークがロットやサプライヤで変わるなら、最悪条件の代表的なサンプルを取ります。清浄で平らな一つのサンプルで構成を確定しないこと。
つかむ方向と加速の方向を決めます。水平面から持ち上げるのは、主に表面に垂直な吸着力を使います。垂直面や水平運動でワークを引くのは、パッドとワークの間の摩擦力を考慮する必要があります。これははるかに滑りやすい状況です。SMCは、パッドが表面に平行なせん断力とモーメントに敏感であることを強調し、重心を考慮し、加速を下げ、可能なら垂直面からの持ち上げを避けてモーメントを減らすことを推奨します。これらの注記は、計算の注記だけでなく、エンドエフェクタのレイアウトにある必要があります。
つかむ位置、ワークの重心、パッド、ロボット・ガントリの加速方向、障害物を描きます。複数のパッドでは、荷重分布は高さ誤差、フレーム剛性、バッファ行程、ワーク表面で変わります。各パッドが等しく分担すると決めてかからないこと。一つのパッドが開いたとき、残りのパッドはワークを十分に保持するか。この問いが、独立した真空回路、真空節約弁、ゾーンごとのセンサの選択を導きます。
理論吸着力は選別に使い、試験を省くために使わない
理論吸着力は、大気と真空水準の間の圧力差にパッドの有効面積を掛けたものに由来します。丸パッドの面積は直径の二乗で増えるため、直径の小さな変化が計算力に大きく影響し得ます。しかし、パッドがシールしない、ワークが曲がる、油・粉塵がある、チューブが漏れる、フィルタが汚れる、エジェクタが供給条件に達しないなら、有効面積と実際の圧力差は通常、想定より低くなります。したがって、一つの計算力の数値を、あらゆる表面への保証としないこと。
ワークの重量、持ち上げ方向、パッド数、測定・保証された真空水準、運動条件に対する安全率、横力、モーメント、荷重分布の仮定を持つ計算シートを作ります。SMCは選定の手順を説明します。ワークのバランスでパッドの位置、数、直径を決める、面積と真空圧から理論力を求める、持ち上げ方法と搬送条件で安全率を使う、その後、吸着試験で確認する、です。これは、パッドを形状で選び、力が十分だと望むより良い手順です。
内部の式が単位や換算係数を使うなら、単位と係数の出所を明確に記録します。より信頼できる方法は、正確なパッド、材質、条件について正確なメーカーの曲線・表を使い、その後、ワークで試験することです。高リスクの用途、高価なワーク、人のいる区域を通る運動には、落下防止の対策を個別に評価します。結果が深刻なら、真空保持を唯一の対策にすべきではありません。
表面が接触する仕方でパッド形状を選ぶ
平パッドは通常、硬く気密な平面に適します。リブ・溝付きパッドは、一部の表面で把持を助け接触安定を支え得ますが、選択はパッド形式の名前だけでなくワーク・試験サンプルに基づく必要があります。ベローズは、高さ差を補償する、曲がったワークに近づく、取付のずれの影響を減らす必要があるときに有用です。その代わり、柔らかさと補償行程は、加速下でエンドエフェクタの反応を変え得るため、横力・モーメントとワーク接触の順序を確認します。
オーバルパッドは、一方向に沿った接触面積が必要なとき、細長い、または長方形のワークに適します。オーバルの向きは、ワークの形状と意図した力の経路に平行である必要があります。深い・ボウル形のパッドは特別な形状を扱えます。フォーム・スポンジのパッドは、一部の用途で不均一な表面に適しますが、漏れ、粉塵、流量需要を考慮する必要があります。SMCのパッド形状の一覧には、平、ベローズ、オーバル、ヘビーデューティ、マークフリー、スポンジ、多くの変種が含まれます。これが、部品番号を比べる前に形状と表面を見る必要がある理由です。
ワーク表面が跡を残しやすいとき、専用のパッド・材質を選び、実際の接触時間の条件で跡を試験します。SMCには、ワークに吸着跡を残してはいけない場合のためのマークフリーの系列がありますが、これは実際の仕上げでの試験を完全にはなくしません。影響は、熱、初期の接触力、表面の油、保持時間、パッドの経年で変わり得ます。合否基準の写真をワークサンプルとともに品質記録に保存します。
パッド材質：感じる柔らかさではなく適合性で選ぶ
エラストマ材質は、シール性、摩擦、耐摩耗、熱、跡、電気抵抗、油・薬品の適合性に影響します。あらゆるワークに「最良のゴム」はありません。柔らかい材質は不均一な表面でよくシールし得ますが、硬い材質とは異なる摩耗・跡を生じます。耐油・耐熱の材質は、メーカーの適合表で確認する必要があります。食品、医薬、または特別な要求のある材料が関わるなら、正確な製品部品番号の資料と使用限界を求め、材質名から推論しないこと。
パッドは摩耗部品です。SMCは、ゴムの劣化が環境と運転条件に依存するため、寿命をカタログだけから事前に見積もれないと記します。確認できる交換基準を決めます。割れ、変形、粘着する表面、真空に達する時間の増加、ワークの滑り、サイクル数、定期試験の結果です。交換パッドがねじれたり変形したりしないよう、モデル、必要ならバッチ、取付方法を記録します。
パッド数、位置、重心
パッド数は、吸着力を足すためだけではありません。パッドは、ワークをバランスよく支え、フレームまわりのモーメントを抑えるよう配置する必要があります。ワークが長いのに二つのパッドを中心に近づけすぎると、縁にたわみ・モーメントを作り得ます。離しすぎると、穴、リブ、弱い領域に当たり得ます。重心が偏るワークには、荷重モデルで位置やパッド数を調整し、不利な向きでの試験で確認します。
複数のパッドは、ワーク面の誤差に対処する必要があります。バッファやボールジョイントは、高さ・角度の一部を補償できますが、動的な荷重も変えます。エンドエフェクタの機構は、最初のカップに力を集中させず、パッドが制御された順序で接触するのに十分剛である必要があります。ある位置に時々ワークがないなら、回路が開いた経路を塞ぐかを決めます。開いた経路は、ゾーン全体の真空を引き下げ、吸着時間を延ばし得ます。
垂直面からのつかみでは、保持力が摩擦に大きく依存するため、表面が滑る、または加速が大きいなら、直径を増やすだけでは依然として不十分かもしれません。つかむ方向の最適化、機械的な支持の追加、加速の低減、つかむ原理の変更のほうが信頼できることがあります。SMCは、垂直面から持ち上げざるを得ないとき十分な安全率を助言します。これは、垂直吸着力の表を機械的に適用するのではなく、特別に試験すべき事例であることを強調します。
空気漏れ、チューブ、フィルタ、真空源
真空源は、空圧エジェクタまたはポンプであり得ますが、共通点は、系の容積・漏れに必要な真空水準と流量に達する必要があることです。エジェクタは、カタログ条件に従う正しい供給圧を要します。したがってその供給回路は、FRL、弁、チューブとともに確認する必要があります。ポンプは、配管、フィルタ、複数ゾーンへの対応、熱、保守を考慮する必要があります。最大の真空の数値だけで源を選ばないこと。応答時間と漏れ補償の能力が、実際のサイクルを決めます。
段ボール、紙、粗い表面、穴のあるワークのような多孔性のワークは、漏れを作ります。SMCは、段ボール用のパッドを選ぶとき、通気性を確認する必要があると記します。この種のワークでは、材質から想定するのではなく、試験が実際の漏れ流量を測ります。長いチューブや不適切な直径は、排気すべき容積を増やし、しきい値への到達を遅らせます。フィルタは源を粉塵・破片から守りますが、回路を詰まらせないよう、サイジングと保守も要します。
多くのパッドや、条件の異なる多くのワークがあるとき、真空をゾーンに分けます。真空節約弁、チェック弁、分岐ごとの分離の解は、図によって有用ですが、正確なモデルの真空・流量の範囲と論理を読む必要があります。一つのパッドを失う、位置のずれたワーク、わずかに汚れたフィルタ、低い供給圧、シフト開始時の起動の状況を試験します。「一つのパッド、一つのワーク、一回」だけを試験すると、系は弱点をめったに現しません。
応答時間とつかむ・放す順序
弁指令から真空設定値に達するまでの時間は、弁の時間、チューブ、容積、漏れ、エジェクタ・ポンプ、パッドがワーク表面に接触することを含みます。サイクル時間が厳しいとき、この時間を無視してロボットを速くしないこと。持ち上げる前に、真空センサで吸着を確認します。ワークなしで機械が動かないよう、タイムアウトの論理と吸着失敗の処理を設定します。圧力・真空センサの選定の記事は、範囲と信号でセンサを選ぶ方法を説明します。
ワークを放すことも設計する必要があります。素早く放すために、ブローオフや真空破壊弁を要する場合がありますが、ワークを位置からずらさない、プロセス区域を汚さない、人への危険を作らないよう、空気の量とタイミングを調整する必要があります。ワークを正確に置く必要があるなら、最終の運動、パッドの沈み、ガイド・位置決めの位置、放す時間を確認します。真空パッドはエンドエフェクタの一部にすぎません。置く精度は通常、位置決めや案内機構から来ます。
フェイルセーフと人・ワーク・機械の保護
エア源の喪失、停電、弁の故障、チューブの破損、真空の喪失は、いずれもワークを落とし得ます。真空スイッチは状態の検出に役立ちますが、ワークを自ら保持しません。ワークが落ちた結果を決めます。製品の損傷、治具の損傷、機械の妨げ、人への危険です。結果の大きい事例は、機械的な支持、立入禁止区域、制御された速度・運動方向、早期検出、評価された安全アーキテクチャなどの適切な追加対策を要します。
メーカーと系の設計が定めた条件で許すのでなければ、パッドを長期の保持機構とみなさないこと。SMCは、真空パッドが真空を保持するよう設計されていないこと、使用可能性を判断するために実機での吸着試験を要求することを明記します。設計では、最大保持時間、警報時の挙動、保守のための圧力排出・ロックアウトの方法、吸着が失敗したときの復旧の方法を定義します。これらは、PLCの順序、HMIの警報、運転の指示に反映する必要があります。
引き渡しできる選定手順
- 最悪条件のワークサンプルを集める。重量、仕上げ、平面度、多孔性、油・粉塵、熱、跡なしの要求。
- つかむ方向、重心、パッド点、横力・モーメント、加速プロファイルを描く。
- パッド形状・材質・直径・数を暫定で選ぶ。実際の真空と、仮定を記録した安全率で参照力を計算する。
- フレーム、バッファ・ボールジョイント、パッド位置を選び、全行程で衝突・空間を確認する。
- 漏れと必要な吸着時間で、エジェクタ・ポンプ、弁、チューブ、フィルタ、ゾーンをサイジングする。
- 真空センサ、吸着確認の論理、タイムアウト、放す・ブローオフ、故障のシナリオを選ぶ。
- 汚れ、向き、不利なサイクルの条件で実際のワークで試験し、BOMを確定する前に結果を保存する。
避けるべき失敗
- 重心、加速、横力を考えず、重量だけでカップを選ぶ。
- 理想的な真空水準の理論力を、約束した運転力とする。
- ワークが曲がる、またはフレームが柔らかいとき、複数のパッドが常に荷重を等しく分担すると想定する。
- 漏れと応答時間を確認せずに、開き得るパッドに一つの真空ゾーンを使う。
- フィルタを外し、粉塵・破片をエジェクタやポンプに入れる。
- 源が失われたとき、真空スイッチや保圧弁がワークの落下を自ら防ぐと信じる。
BOMを確定する前のチェックリスト
- [ ] 最悪条件を代表するワークサンプルでパッドを試験したか。
- [ ] 重量、重心、運動方向、横力、モーメントが計算シートにあるか。
- [ ] 形状、材質、直径、パッド数、バッファは、表面と跡の要求に合うか。
- [ ] 計算力は、実際の真空水準、安全率、記録した荷重分布の仮定を使ったか。
- [ ] エジェクタ・ポンプ、弁、チューブ、フィルタ、ゾーンは、漏れと実際の応答時間に達するか。
- [ ] 吸着確認のセンサ、タイムアウトの論理、放す、吸着失敗の処理を試験したか。
- [ ] 真空・源の喪失時の対策と、ワーク落下のリスクを評価したか。
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参考
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