機器選定 #21：アルミフレーム — 荷重によるシリーズ20・30・40・50の選び方
アルミフレームは、荷重、自由スパン、荷重の作用点、許容たわみ、連結、フレームに取り付ける部品から選びます。「シリーズ20・30・40・50」は各メーカーのプロファイル体系の呼び方にすぎません。同じシリーズ名でも、同じTスロット、断面二次モーメント、ナット形式、付属品を保証しません。まず一つのカタログ体系を確定し、その後、その体系の正確なデータでプロファイルと継手を確認します。
早見比較
| よくあるプロファイルのサイズ・体系 | 適するとき | 確認すべき点 | 警告 |
|---|
| 小型シリーズ 20/25 | センサブラケット、軽いカバー、小さな治具 | 短いスパン、パネル、互換のねじ・ナット | 機械の脚や長いスパンに感覚で使わない |
| 中型シリーズ 30/40 | 中程度の機械フレーム、作業台、ガード | 梁のたわみ、集中荷重、ブラケット | 外幅は両軸の剛性を語らない |
| 大型シリーズ 45/50以上 | ベースフレーム、重荷重、高い柱 | モーメント、ねじり、脚、連結 | 継手・ガセットが誤れば大きなプロファイルでも弱い |
| 閉断面・特殊プロファイル | 配線、清掃性、パネル・ガスケットが要る | 形状、ナット取付の接近性、付属品 | 別メーカーの「ほぼ似た」プロファイルへ換えない |
荷重とフレームの形状から始める
カタログを選ぶ前に、実際の荷重を担う棒でフレームを描きます。垂直の脚、水平の梁、筋交い、扉、パネル、画面、ロボット、コンベア、電気トレー、保守の荷重です。各棒の自由長、荷重が分布か集中か、力の方向、吊り点、重心位置を記録します。薄いカバー用のフレームは、加速荷重を持つ直動軸を支えるフレームや、人が寄りかかる作業台とは本質的に異なります。
静的荷重は一部にすぎません。可動機構は、振動、反転の力、支持部でのモーメント、停止時の衝撃を作ります。開閉する扉、引き出すテーブル、シリンダ、引くケーブル、フレームに寄りかかる人は、いずれも荷重ケースであり得ます。少なくとも次の状態を列挙します。通常運転、最大荷重、扉開、保守、機械を移動するなら輸送です。これらの状態は、きれいなフレームを作っても試運転後に補強板を加える羽目になるのを避けるのに役立ちます。
たわみは、タスクから決める必要があります。カバーのフレームは、カメラ、センサ、レール、精密な取付面を保持するフレームとは異なる変位を受け入れられます。「フレームは剛でなければならない」は、設計者とサプライヤに十分ではありません。測定位置、測定方向、機能による限界を記録します。機械的な隙間、センサの調整、テーブルの平面度、ガードの隙間です。メーカーのプロファイルのデータは、具体的なプロファイルを確認するための断面二次モーメントと断面係数を与えます。
シリーズは機械体系であり、断面のサイズだけではない
メーカーは、モジュール格子、スロットのサイズ、公称サイズ、商業的な呼び方で、プロファイル体系を名付けます。MISUMI 2018は、多くの異なる断面を持つシリーズ5・6・8にプロファイルを分けます。各群には、専用のナット、ブラケット、継手、プレートもあります。Bosch Rexrothも、部品番号ごとにスロット仕様、面積、断面二次モーメント、断面係数、質量を持つプロファイルを公表します。したがって「40x40」は完全な仕様ではありません。
BOMを作る前に、メーカー・体系、プロファイルコード、スロットサイズ、断面形状、表面の種類、付属品、ナット、ボルト、工具を確定します。別体系のTナットは、スロットに入らない、入っても正しく保持しない、またはカバーストリップを塞ぐことがあります。隠しコネクタは、アングルブラケットとは異なる棒端の加工要求を持ちます。これは、リードタイム、切削・タップの工具、現場で変更する能力に影響します。
図面と荷重で互換性を確認しないまま、体系をまたいでプロファイル、ブラケット、ナットを混ぜないこと。「同じ8 mmのスロット」は、スロット首の形状、公差、保持力が同じであることを証明しません。何年も保守を要する機械には、明確な付属品体系を保つことが、棒ごとの費用のわずかな節約より価値があります。
曲げ方向とスパンで梁を確認する
長方形のプロファイルは、二つの軸まわりで異なる剛性を持ちます。プロファイルを90度回すと、荷重方向の断面二次モーメントが大きく変わり得ます。梁が垂直荷重を担うとき、たわみに抵抗すべき方向に高い側を置くほうが、通常、水平の幅を増やすより効果的ですが、取付空間、継手、側方荷重も確認する必要があります。カタログの写真や前面の寸法だけで決めないこと。
梁では、支持条件を決めます。両端支持、片持ち、支持近くの柔らかい継手です。理想的な梁の式は選別の段階です。実際のフレームは、ブラケットの剛性、ボルトの予圧、継手の隙間、側フレームからも影響を受けるためです。暫定のプロファイル計算のあと、連結を確認し、フレームが敏感な要素を保持するとき荷重試験を行います。設計がレールや精密な測定センサを使うなら、静的な曲げだけでなく、熱膨張と位置決めの方法を考慮します。
閉断面やリブ付きのプロファイルは、一部の荷重・ねじり方向によりよく応じ得ますが、メーカーの仕様があるときのみです。アルミフレームはモジュール体系です。剛性の向上は、スパンの短縮、横材の追加、対角の筋交いの追加、せん断パネルとして働くパネル、荷重経路の変更からも来得ます。これらの解は、ケーブル、扉、保守区域の接近を失わないよう評価する必要があります。
連結こそがフレームが実際に働く場所
CAD上の直角は、それ自体で剛性を作りません。外部のブラケットは、作りやすく確認しやすいですが空間を取ります。隠しコネクタは、きれいな面を作りますが、通常、加工・プロファイルの下処理を要します。大きなガセットは、高いフレームでラック防止をよりよく支えますが、パネルを妨げ得ます。力・モーメント、分解の回数、組立の工具、必要なときの見た目、ケーブルトレーやパネルの空間で、継手の形式を選びます。
力がどの継手を通るかを決めます。中間荷重を支える梁は、せん断とモーメントを両端へ伝えます。柱の脚は、圧縮、側方の力を受け、フレームが振動するとき引き抜きを被り得ます。ボルトがプロファイルの薄い面だけを締める、またはブラケットが小さすぎるなら、梁のプロファイルを増やしてもフレームは改善しないことがあります。トルク、締結具の種類、ナット、ワッシャ、接近位置を組立図に記録します。組立者に付属品箱から選ばせないこと。
高いフレームや大きな扉のあるフレームは、ラックの能力を考慮する必要があります。長方形を作る四本の棒だけは、適切なガセット、対角、パネル、剛な連結がなければ、側方の力で平行四辺形に変形し得ます。機械が扉を開ける、移動する、側方に作用する機構を持つときの条件を確認します。脚・キャスタの体系も確認します。キャスタとアジャスタの#22で選ぶフレーム下の要素が、荷重が床へどう下りるかを決めます。
Tスロットと付属品は判断の一部
Tスロットは、素早い取付・修理の利点を作りますが、計画する必要があります。パネル、ケーブルダクト、センサ、扉のヒンジ、ガードメッシュ、タブレットアーム、調整脚、トレーを吊るためにどの面を使うかを、レイアウトに直接印します。外向きのスロットをブラケット、カバー、パネルで使い切ると、あとで機器を追加するのがはるかに難しくなります。使えるいくつかの面・スロットを残すのは、無駄ではなく技術的な選択です。
取付方法と位置でナットを選びます。落とし込みナットは、プロファイルがまだ開いているときに適します。後入れナットは、あとで付属品を追加する必要があるときに有用です。ばね・ボール式は、垂直取付に便利に位置を保ちますが、正しいスロットが要ります。ストップセット、エンドキャップ、カバーストリップ、パネル締結具、ヒンジ、ハンドルは、最初からBOMにあるべきです。これらは、安全、清掃性、ユーザの扱い、仕上げの時間に影響します。
切ったプロファイルの端にエンドキャップが要るか、切断面が鋭い縁を作るか、接地・配線点が機械の電気設計に従ってどう処理されるかを確認します。アルミプロファイルは、設計されたボンディング・接地のアーキテクチャの代わりになりません。本記事は構造の選択のみを扱い、電気の入門の指針の代わりにはなりません。
パネル、ガード、他の機構とのインタフェース
フレームは通常、パネルとガードの背骨です。ポリカーボネート板、板金、メッシュ、ガスケット、ヒンジ、ロックは、荷重を作るとともに、密閉・安全を決めます。パネルの厚さ、締める方法、取外しの要求を知る前にプロファイルを選ぶと、ばらばらのブラケットを加える羽目になりやすいです。棒を切る前に、パネル、扉、開口位置、ケーブルスロット、ガスケットの必要性の外形を確定します。
プロファイルが安全柵の一部なら、フレームの選択は、リスク分析、メッシュの穴のサイズ、危険までの距離、扉、インターロックとともに行う必要があります。プロファイルはフレームを作るだけです。ガード全体が要求を満たすことを証明しません。安全周辺機器：灯、ガード、E-stopの記事は、これらの部品の間の境界を述べます。
測定・ビジョンの機器には、扉や振動するパネルを持つなら、共通のガードフレームを重要なセンサの基準に使うのを避けます。必要なとき、測定のブラケット・梁を、運転荷重を担うフレーム部から分けます。ロボット・コンベアには、インタフェースプレートとボルトパターンを確認します。プレート・ガセットと計算なしに、プロファイルが機器の動的荷重を直接受けられると決めてかからないこと。
ライフサイクル費用と変更の能力
プロファイルは通常、加工・組立の速さと変更の能力のために選ばれます。設計でその利点を保ちます。妥当なとき標準長を使い、モジュールを繰り返し、ブラケットの種類を減らし、明確なカットリストを使い、棒と締結具の袋をサブアセンブリごとにラベル付けします。切り間違い、タップ間違い、ナットの混在は、通常、二つの断面のわずかな差より時間を要します。
プロファイル、切断・タップ、コネクタ、プレート、ブラケット、ナット、締結具、パネル、扉の金具、脚、輸送、組立時間を含む総費用を評価します。多くの筋交い・継手を要する小さなプロファイルは、より大きなプロファイルより安いとは限りません。逆に、あらゆる棒に最大のシリーズを選ぶと、BOMが重く、再利用しにくくなります。荷重経路を知ったあと、各フレーム部材で選びます。
あとでレイアウトを変えるとき、プロファイルコード、長さ、継手位置、当初の設計荷重を知る必要があります。引き渡しは、組立図、カットリスト、ハードウェアのBOM、トルク・締結具の注記、穴あけ・切断してはいけない点、組立後のフレームの写真を含むべきです。これは、経験で棒を加えるのではなく、機械を安全に調整するのに役立つデータです。
データに基づく選定手順
- フレーム、荷重、スパン、支持点、取り付ける機構、運転・保守の荷重ケースを描く。
- 一つのメーカーのプロファイル体系を確定し、想定する各プロファイルの図面と断面データを取る。
- 力、たわみ、プロファイルの向き、ねじり、フレームのラックの能力を確認し、必要なら筋交いを加えるか形状を変える。
- 荷重経路と取付方法で、継手、ナット、ボルト、ブラケット、プレート、エンドキャップ、接近を選ぶ。
- パネル、扉、ケーブル配線、ガードのインタフェース、脚・キャスタ、保守空間を確定する。
- 正しい体系のプロファイルコードでカットリスト・BOMを作り、サブアセンブリを試作してから量産の切断を確定する。
よくある選定の失敗
- メーカー、スロット、プロファイルコードなしに「シリーズ40」を十分な仕様と呼ぶ。
- より大きなプロファイルを選ぶが、継手、脚、ラックを起こす側方の力を確認しない。
- 一方向で梁を確認し、組立で異なる向きにプロファイルを回す。
- パネル・ケーブルダクトにスロットを使い切ったあとにアングルブラケットを選ぶ。
- 荷重経路とプレートを確認せずに、動的機器をカバーフレームに吊る。
- メッシュ、扉、インターロック、距離を選ばずに、プロファイルフレームを完全な安全ガードとみなす。
BOMを確定する前のチェックリスト
- [ ] 荷重ケース、自由スパン、荷重の作用点、機能によるたわみ限界を得たか。
- [ ] メーカー・体系、スロットサイズ、プロファイルコード、ナット、ブラケットは同じ互換カタログか。
- [ ] 正しいプロファイルの向きでの剛性、ねじり、ラック防止を確認したか。
- [ ] 継手、ガセット、プレート、締結具、脚は明確な荷重経路を持つか。
- [ ] パネル、扉、ガード、ケーブル配線、保守の接近はレイアウトにあるか。
- [ ] カットリスト、ハードウェアのBOM、組立図、トルク要求は引き渡しに十分か。
MINATAは、プロファイルを量産で切る前に、機械チームとともに荷重経路、断面データ、フレームレイアウト、BOMを見直せます。技術・製造チームに相談する。
参考
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